La modulación del concreto reciclado como estrategia de sustentabilidad en vivienda autoproducida

Introducción

Una de las características de la vivienda autoproducida en México es su proceso de consolidación en distintos periodos, en el cual el espacio construido va sufriendo modificaciones físicas sin control de calidad o cumplimiento de normas. Como resultado se obtienen sistemas estructurales vulnerables ante el cambio climático. Por tanto, es necesario construir viviendas que se adapten a los escenarios climáticos proyectados a un “desarrollo resiliente al clima” (PNUMA, 2023), mediante soluciones constructivas flexibles que optimicen el manejo de los materiales y sistemas estructurales, y que permitan lograr bajo impacto ambiental de los proyectos, sin incrementar de modo significativo los costos (Ribeirinho et al. 2020; Cairns y Jacobs, 2014). La sustentabilidad afronta los retos que implica el desarrollo de tecnología resiliente (McDonough y Braungart, 2002), pero no se ha abordado el concepto en vivienda de modo integral (Staib, Dörrhöfer y Rosenthal, 2008). Y, aunque se promueven estándares y normas con criterios sustentables, aún es limitada su aplicación y su nivel de profundidad en el tema de los concretos reciclados estructurales y su vinculación con sistemas constructivos para vivienda. Por este motivo se propone adoptar criterios constructivos modulares, con el fin de mejorar la calidad en el manejo de la materia prima y dirigidos a diseñar prefabricados de concreto reciclado para aplicarlos en la construcción de viviendas.

En este documento se discute el concepto de construcción modular asociando su proceso a la sustentabilidad, y se analizó residuos de la construcción y demolición (RCD), para conseguir sistemas estructurales de concreto reciclado que puedan ser una opción para la autoproducción de vivienda en la zona metropolitana de México. Se delimita la investigación a comprobar que es posible lograr concretos estructurales usando solamente agregados reciclados, y que asociando los criterios constructivos de la modulación se puede conseguir una mejora en la calidad de los concretos reciclados.

Construcción modular

Históricamente, la modulación ha sido la respuesta para acelerar la construcción de edificios, y como opción ante desastres naturales o para desarrollar edificaciones de un modo más económico, al atender dimensiones que permiten portabilidad y garantizar un adecuado emplazamiento (Ribeirinho et al., 2020). De las características de la construcción modular se destaca el concepto de flexibilidad, que da la pauta al crecimiento o decrecimiento de un espacio, mediante la estandarización de los componentes que generan agrupaciones modulares. La modulación debe seguir procesos de modo sencillo y seguro que permiten la repetición dentro de una trama o sistema de referencia, con el fin de facilitar la planificación y distribución espacial (José y Tollenaere 2005; Ulrich y Tung 1991; Miller y Elgard 1998; Taalman y Hunsicker 2002; Singh et al. 2015). Al atender la cuestión formal en el diseño modular, se destacan el cubo como la forma más eficiente para la distribución de espacios, y la esfera como la forma más segura ante condiciones de clima extremo (Taalman y Hunsicker 2002), lo que puede considerarse una posible opción formal en zonas vulnerables por cambio climático.

En este documento se buscan criterios de diseño para unidades volumétricas cúbicas que hagan posible el repetir y conectar entre sí cada elemento en distintas etapas. Para elaborar las distintas piezas de la envolvente se deben asociar materiales reciclados como materia prima por su disponibilidad en zonas metropolitanas, abriendo la posibilidad de emplear concretos reciclados (Pedro, Brito y Evangelista, 2018; 2017a; 2017b; Andreu y Miren, 2014).

Modulación como estrategia de sustentabilidad

La sustentabilidad como requerimiento en LA construcción ha sido ampliamente discutida, y ha dado la pauta para el desarrollo de normas y estándares en búsqueda de prácticas responsables (McDonough y Braungart, 2002; Zeumer, Hegger y Stark, 2012). Pero la idea de asociar la modularidad y la sustentabilidad ha sido menos analizada (Cairns y Jacobs, 2014; Staib, Dörrhöfer y Rosenthal, 2008).

La modularidad se asocia con la sustentabilidad desde la sistematización de metas, con el fin de lograr la estandarización de componentes. Lleva implícito reducir la generación de residuos de construcción y lograr mayor calidad de sistemas constructivos. La modularidad integra conceptos de seguridad y adaptabilidad, relacionados con la vivienda resiliente necesaria para afrontar el cambio climático; por tal motivo, un proceso de diseño que aplica la modulación contribuye a la sustentabilidad (Cairns y Jacobs, 2014; Staib et al., 2008; McDonough y Braungart, 2002; Keeler y Burke, 2009; Crowther, 2018)

Colocar la opción de construir un espacio habitable prefabricado con materiales reciclados requiere entender el proceso constructivo para establecer la secuencia de diseño (Keeler y Burke, 2009), lo que implica realizar componentes de fácil colocación o retiro o reúso sin degradar las propiedades del material (Crowther, 1999). La literatura consultada sugiere que para el diseño de envolventes se deben generar elementos livianos que puedan ser manejables y de fácil transportación (Staib et al., 2008; Kieran y Timberlake, 2008; Gershenson, Prasad y Allamneni, 1999).

Concretos reciclados

Se considera emplear concretos reciclados por la disponibilidad de residuos de la demolición y construcción (RCD) que se cuantifican anualmente en cientos de millones de toneladas; de ellos se destacan los agregados reciclados (AR) provenientes de concreto, mortero, cerámicos o materiales mixtos. Actualmente la regulación de RCD en construcción se encuentra restringida en concretos estructurales, y causa una búsqueda para mejorar su aprovechamiento desde su origen y transformación hasta el tratamiento de los AR, pero se han realizado estudios que han aplicado con éxito la incorporación de materiales reciclados en concretos (Abbas et al., 2009; Pedro et al., 2018; 2017a; 2017b; Andreu y Miren, 2014). Los retos del uso de ar en concretos estructurales es lograr adecuadas resistencias mecánicas y durabilidad (Erdem y Blankson, 2014). Para ello se busca disminuir el contenido de impurezas contenidas en los agregados reciclados, con lo que se han logrado óptimas resistencias mecánicas, (Berredjem, Arabi y Molez, 2020) además, con la ayuda de fluidificantes, superplastificantes o reductores de agua es posible mejorar trabajabilidad y durabilidad, y conseguir resistencias a compresión específicas, aunque con un incremento en el costo de producción del material. Otro componente de ayuda en el contexto del reciclaje es el uso de las puzolanas residuales, que permiten rellenar las partes porosas de la pasta endurecida (Del Valle et al., 2015), con lo que se limita la carbonatación del concreto y la oxidación del acero. Buenas prácticas en concretos reciclados han realizado sustituciones del 30% (Dilbas, Çakır, Şimşek, 2016; Gujel, Kazmierczak, Masuero, 2017; Tibbetts, Perry, Ferraro, Hamilton, 2018). Pero en este documento se pregunta si es posible lograr concretos estructurales con 100% de sustitución, reconociendo que la literatura consultada indica que a mayor ar en la mezcla la resistencia de diseño se ve afectada (Kou, 2006). Una posible solución se encuentra en usar una baja relación agua/cemento que provoque una matriz más resistente, considerando la presaturación de los agregados, para disminuir la absorción de agua superficial y de este modo favorecer la resistencia a compresión. (Malešev, Radonjanin y Marinković, 2010). Otros estudios sugieren utilizar solo agregados gruesos reciclados con agregados naturales para sustituciones parciales (Grupta, Soroj y Sommath, 2011; Otzuki, 2003). Las sustituciones parciales se consideran apropiadas para diversificar el uso de los agregados reciclados.

Método

Se utilizó un método exploratorio para conocer el estado del arte de la construcción modular y relacionar la modulación con criterios de edificación sustentable empleando concretos reciclados; con esta información se propone un sistema constructivo utilizando bovedilla y muros de concreto reciclado. Se utiliza un diseño de mezcla con 100% de sustitución, aplicando el método del American Concrette Institute (ACI) con dos diseños testigo, donde se emplearon agregados naturales con el fin de contrastar resultados. Posteriormente se realizaron sustituciones del 50% combinando arenas y gravas naturales con los agregados reciclados. Se valoró obtener mezclas para elaborar probetas cúbicas con una resistencia de 15 MPa para ensayarse a compresión a los 7,14 y 28 días. Con la prueba de tensión se busca evaluar la adherencia para verificar que no existieran cambios significativos entre concreto convencional y reciclado al interactuar con el acero de refuerzo. No existe una prueba normalizada para conocer el grado de adherencia; por tal motivo, se elaboraron probetas cilíndricas con una varilla al centro que fue sometida a esfuerzos de tracción a los 7, 14 y 28 días. Se realiza un análisis de la densidad de los concretos reciclados y convencionales para determinar si existe disminución de peso. Para la propuesta de un espacio habitable se propone una trama en función del sistema vigueta y bovedilla para generar posibilidades de modulación.

Para la elaboración de las probetas ensayadas a compresión se utilizaron moldes metálicos cúbicos de 5 cm, acordes con la norma ASTM-C-109. Para las probetas cilíndricas se usaron moldes cilíndricos con relación dos a uno, con una varilla embebida. La dosificación de los materiales fue por peso, el cual se midió en una báscula electrónica con una sensibilidad de 0.01 g. Las probetas se midieron con un vernier con una exactitud de 0.01 mm.

Para determinar la curva granulométrica de las arenas se manejó una tamizadora Retsh modelo as 200 Basic y un juego de tamices de las mallas 3/8”, #4, #8, #16, #30, #50 y #100, como se establece en la norma ASTM-C-33. El tamaño máximo nominal de los agregados gruesos se obtuvo acorde con la norma NMX-C-077-ONNCCE-2019; para la densidad y el porcentaje de absorción de agua de las gravas se siguió las recomendaciones de la NMX-C-164-ONNCCE-2014; para el peso específico y el porcentaje de absorción de agua de las arenas se consultó LA NMX-C-165-ONNCCE-2020, y para el módulo de finura la ASTM C-33.

Las pruebas mecánicas se llevaron a cabo en una máquina de pruebas universales marca Instrom modelo 400RD-E1-H2 con capacidad de 200 t, la cual cuenta con un software que ejecuta los cálculos de la carga aplicada entre el área de contacto y da el valor del esfuerzo en MPa. El ensayo de compresión axial se basó en la norma ASTM C-109.6

Materiales

Los materiales para la experimentación fueron cemento gris Portland tipo II resistente a sulfatos; como agregados pétreos finos y gruesos naturales se utilizaron dos tipos, caliza triturada y agregados de río. Los agregados reciclados son producto de la trituración de concretos y morteros adquiridos de una planta de reciclaje de residuos de la construcción para su transformación en materiales pétreos reciclados atendiendo a los parámetros establecidos en la tecnología del concreto (Steven, 2004). Los materiales son comercializados en la ciudad de México; por tanto, son accesibles, y fueron almacenados de modo hermético para controlar la interacción con el medio. Para la elaboración de las mezclas se utilizó agua suministrada de la red pública sin materia orgánica. En la Tabla 1 se colocan los atributos de los agregados utilizados para realizar el diseño de mezclas. Para las pruebas de adherencia se empleó varilla corrugada de ½” de diámetro grado 42 en conformidad con la NMX-B-506-CANACERO-2019.

La Gráfica 1 demuestra que los agregados reciclados finos tienen similitud con las arenas calizas trituradas en su distribución de granos y se califican dentro de los parámetros establecidos por la norma, al llevar un proceso de elaboración basado en el control de distribución de los tamaños de partículas, como establece la NMX-C-077-ONNCCE-2019. Los rangos de tamaños de las arenas recicladas cumplen los requisitos para ser empleadas en mezclas de concreto.

Gráfica 1

Curva granulométrica de las arenas

Fuente: Elaboración propia.

En la Gráfica 2 se observa que los agregados reciclados tienen un mayor porcentaje de absorción de humedad; se destaca el 15.52% de las arenas recicladas. Lo anterior determinó el ajuste por absorción de humedad en el diseño de mezcla y el reconocimiento de que las gravas trituradas representan una mayor oportunidad de sustitución que las arenas recicladas.

Gráfica 2

Porcentaje de absorción de los agregados

Fuente: Elaboración propia.

En la Tabla 2 se identifica la nomenclatura utilizada por los diseños de mezcla M1 con agregados calizos triturados, M2 con agregados de río y M3 con agregados reciclados considerando 100% de sustitución. Las mezclas M1 y M2 son testigos para comparar con el diseño que empleó el 100% de sustitución (mezcla M3).

Resultados de la evaluación mecánica

Los resultados de la Gráfica 3 determinan que es posible obtener diseños de mezcla satisfactorios para desempeños mecánicos estructurales para uso en prefabricados de concreto empleando sustituciones del 100% al obtener 18 MPa a los 28 días. Se observa similitud entre las mezclas M1 y M3 en la evolución de la resistencia a los 7, 14 y 28 días.

Gráfica 3

Resistencia a la compresión a los 7, 14 y 28 días

Fuente: Elaboración propia.

Los resultados en la Gráfica 4 de las pruebas de tracción muestran que no existe diferencia significativa entre las resistencias a la tensión obtenidas de las probetas a los 28 días. Pero se destaca que los concretos reciclados (M3) superaron en resistencia a la tracción (4.70 MPa) a la probeta testigo M1 (4.39 MPa) a los 28 días. El acero de refuerzo mantiene una adherencia similar con las tres mezclas evaluadas, lo que establece la posibilidad de adecuada interoperabilidad del acero de refuerzo con los concretos reciclados en esfuerzos a tracción.

Gráfica 4

Comparación de resistencia a tracción para determinar adherencia

Fuente: Elaboración propia.

En la Gráfica 5 se valoró la densidad de las mezclas a distintas edades y se determinó que la mezcla de concreto reciclado M3 resulta ser más liviana, al registrar un promedio de densidad de 1895 kg/cm³, en comparación con los 2165 kg/cm³ de un concreto convencional realizado con agregados naturales M1. Un concreto reciclado es, por tanto, más ligero que un concreto convencional y aporta menor carga a la estructura, lo que permite su aplicación en envolventes arquitectónicas.

Gráfica 5

Densidad de las mezclas a distintas edades

Fuente: Elaboración propia.

En la Gráfica 6 se realizó la comparación del desempeño de concretos reciclados empleando sustituciones del 50%, considerando sustituir gravas y arenas recicladas con los agregados triturados de calizas y de río y comparar con la sustitución del 100 % de agregados reciclados. Los resultados demuestran que existe mejor operabilidad entre gravas recicladas y arenas naturales. También se discute que es posible alcanzar resistencias mecánicas más elevadas con sustituciones del 50%, lo cual abre la posibilidad de uso de los concretos reciclados en viguetas y capa de compresión, así como en de muros de carga y divisorios al emplear sustituciones parciales de agregados reciclados, por superar los 15 MPa que establece la normatividad en prefabricados de concreto. (ONNCCE, 2019)

Gráfica 6

Diseños de mezcla combinando agregados naturales con reciclados

Nota: La línea azul expresa la resistencia mínima buscada en bovedillas y muros de acuerdo a las normas NMX-C-406-ONNCCE-2019 y NMX-C-403-ONNCCE-1999.

Fuente: Elaboración propia.

Integración de conceptos

En México se regula la construcción de los prefabricados de concreto bajo las normas NMX-C-406-ONNCCE-2019, además de la NMX-C-403-ONNCCE-1999; para el caso del sistema vigueta y bovedilla se determina una resistencia de 25 MPa para las viguetas, 15 MPa para las bovedillas, de 20MPa para la capa de compresión y para muros de 10 MPa, con refuerzo en los bordes para vivienda de hasta dos niveles (en esta investigación se analizó el uso de muros con resistencia de 15 MPa). Atendiendo a los resultados obtenidos de 18MPa con 100% de sustitución, es posible elaborar muros de concreto reciclado de acuerdo con la norma, considerando también que se consiguieron adecuadas interacciones con los refuerzos verticales en pruebas a tensión, por lo que es posible integrar muros de concretos reciclados con acero de refuerzo. Por tanto, se propone configurar un módulo habitable de prefabricados de concreto reciclado empleando muros con prefabricados de bovedilla (Figura 1). Cabe señalar que, si bien con el sistema de vigueta y bovedilla es posible la modulación, el sistema requiere una capa de compresión que no permitiría la deconstrucción.

Figura 1

Bovedilla

Fuente: Elaboración propia.

En muros se propone un prototipo de concreto reciclado estructural con refuerzos de borde empleando un espesor de 15 cm, armados con varilla de ½” para resistir 15MPa. En la Figura 2 se representa un corte esquemático (Figura 2A) del módulo, donde se identifican las piezas y la configuración de componentes. En la Figura 2B se describe el sistema destacando el uso de la bovedilla y los muros como los elementos prefabricados de concreto reciclado. El prototipo espacial se establece de las siguientes medidas: altura: 2.70 m, ancho: 3. 41 m longitud: 13.64 m - 20.46 m, con la posibilidad de configurar una altura total de 1 a 2 pisos.

Figura 2

(A) Módulo habitable con RCD. (B) Isométrico.

Fuente: Elaboración propia.

Se definió una modulación de 3.41 m x 3.41 m basada en la modulación de vigueta y bovedilla, para configurar una retícula de espacios habitables de concreto reciclado que permita la flexibilidad en la distribución (Figura 3).

Figura 3

Esquema de distintas posibilidades de distribución por zonas

Fuente: Elaboración propia.

La Figura 3 es un esquema que representa un criterio de distribución del módulo propuesto, y establece zonificaciones de espacios para diferenciar el uso. El color rojo se define para zonas íntimas, el color amarillo para zonas de servicio y el color azul para zonas sociales. El propósito de la figura es representar las posibilidades que pueden existir para la configuración de espacios habitables; de este modo el usuario decide sobre la distribución espacial con opción a crecimiento progresivo.

En la Figura 4 se describe una de las posibilidades de distribución espacial para configurar una vivienda que incluya muros prefabricados de concreto reciclado. El fin es poder incluir materia prima reciclada en proyectos modulares destinados a la autoproducción de vivienda.

Figura 4

Proyecto modular a base de RCD

Fuente: Elaboración propia.

Discusión

La construcción modular da la pauta a incluir residuos de la construcción, lo que lleva a reducir el consumo de materiales y mejorar la calidad de aplicación de recursos primarios reciclados (Lacey et al., 2017; Smith, 2010; Arisya y Suryantini, 2021; Wilson, 2019). Por ello se asocia la modulación a un proceso sustentable porque permite simplificar procesos especializados, lo que facilita el uso final de un prototipo y mejorar la calidad de los componentes de la vivienda. (Miller y Elgard 1998; Smith, 2010).

En la autoproducción de vivienda se debe garantizar la calidad de los materiales y brindar seguridad en la estructura para consolidar espacios habitables. Se demostró que es posible lograr resistencias aptas para ser empleadas en muros al conseguir 18 MPa en concretos reciclados con 100% de sustitución y al obtener adecuado grado de adherencia con el acero de refuerzo, cuando e compararon resultados con probetas testigo. Con sustituciones del 50% sería posible diseñar prefabricados con mayores prestaciones mecánicas, además de conseguir baja densidad en relación con los concretos convencionales, y definir la posibilidad de desarrollar prototipos de concreto reciclado más livianos. Los diseños de mezcla de concretos reciclados se pueden utilizar siguiendo las recomendaciones del American Concrete Institute (ACI) para que la prefabricación de los prototipos de muros garanticen dimensiones, resistencia mecánica y calidad acorde con los criterios de la construcción modular (Combes y Bellomio 1999).

Los resultados de las pruebas mecánicas empleando sustituciones totales y parciales demuestran el potencial de aplicar concretos reciclados en sistemas constructivos con resistencias diferenciadas, sobre la base de lo obtenido en los resultados a compresión de la gráfica número 6.

Como retos a resolver, se encuentra el tema de durabilidad y de reducción del consumo de agua al fabricar la mezcla. Se debe explorar la porosidad del agregado reciclado al incorporarlo a mezclas, para evitar inadecuadas interacciones del concreto reciclado con el ambiente que propicien afectaciones en el sistema constructivo. Ello se puede solucionar con el uso de aditivos que mejoren la condición inicial de los agregados reciclados.

Conclusiones

Se propone el uso de agregados reciclados con 100% de sustitución para elaborar prefabricados de concreto que sirvan en proyectos de vivienda autoproducida con criterios de modulación. Se presentan las siguientes conclusiones:

Se elaboró un diseño de mezcla para concreto reciclado considerando una sustitución del 100% de agregados y se obtuvieron resistencias mecánicas apropiadas, al superar los 18 MPa, lo que determina la participación de concretos reciclados en los prefabricados de muros.

Los resultados de la interoperabilidad del acero de refuerzo con concretos reciclados al 100% de sustitución presentaron un comportamiento similar al que se da entre concretos convencionales y acero de refuerzo. Se concluye que, al comparar esfuerzos a tracción, no existe diferencia significativa entre las probetas evaluadas.

En la valoración de densidad, las mezclas recicladas resultaron ser más livianas que las mezclas de concreto elaborado con agregados naturales. Se concluye que el concreto reciclado es más liviano que el concreto convencional.

Al realizar sustituciones del 50% de agregados reciclados con agregados naturales es posible mejorar el desempeño mecánico a la compresión. Ello permite el diseño de prototipos con mayores solicitaciones mecánicas.

La construcción modular abre la posibilidad de desarrollar tecnología para la vivienda empleando prefabricados elaborados a partir de materia prima reciclada, lo que, mediante las premisas de calidad en el manejo de materiales, potencializa mejorar la aplicación útil de los concretos reciclados (Keeller y Burke, 2009).

Desarrollar vivienda modular cobra relevancia en asentamientos en zona de riesgo o susceptible ante fenómenos naturales, porque el proceso constructivo modular disminuye el riesgo de pérdidas materiales en espacios habitables, lo que conlleva planeación e involucra la discusión sistémica de los componentes y condicionantes que influyen en la generación de asentamientos humanos resilientes.

Se concluye que mediante la prefabricación es posible diseñar sistemas apropiados para garantizar seguridad con un mínimo de desperdicio, con la posibilidad de personalizar la distribución, y sobre todo para mejorar la calidad de vida, al atender la vulnerabilidad estructural de la autoproducción de vivienda. Se continuarán los experimentos en pruebas mecánicas y de durabilidad a muros de concreto reciclado con sustituciones totales y parciales. Se desarrollarán prototipos tecnológicos de concreto y mortero reciclado enfocados en la vivienda autoproducida, para fomentar más el uso de los agregados reciclados en la construcción.