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EVALUACIÓN PRELIMINAR DEL POLIETILENO TEREFTALATO (PET) COMO

MATERIAL ALTERNATIVO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE BORDILLOS EN

VÍAS

PRESENTADO POR:

MARIA CAMILA ZAMBRANO BELLO - 504846

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2018

EVALUACIÓN PRELIMINAR DEL POLIETILENO TEREFTALATO (PET) COMO

MATERIAL ALTERNATIVO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE BORDILLOS EN

VÍAS.

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGERIERO CIVIL

PRESENTADO POR:

MARIA CAMILA ZAMBRANO BELLO - 504846

DIRECTOR:

MSC. MBA. MARTÍN EDUARDO ESPITIA NERY

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2018

Nota de aceptación: ________________________________________________________________________________________________________________________

MARTIN EDUARDO ESPITIA NERY Firma del director de proyecto

Firma de jurado

DEDICATORIA

El presente trabajo es dedicado a mis padres por el sacrificio, el esfuerzo, la

dedicación y el amor que me han brindado a lo largo de mi vida, por ser ellos quienes

han puesto su vida para formarme y ayudarme a alcanzar mis logros, siendo los

impulsadores principales para la realización del presente trabajo. Son ellos, Martha

y Carlos, la motivación de mi vida, los que con ejemplo me han enseñado el poder

del amor. Gracias por llenarme de sueños y estar ahí para alcanzarlos conmigo.

A mis hermanos, por demostrarme que con disciplina y dedicación las cosas son

posibles, porque sin duda alguna son quienes me han formado con firmeza ante

momentos difíciles, y sin pensarlo han dejado lo mejor de sí en mí. Gracias por ser

mis amigos y guías en mi formación como persona y como profesional.

A mi novio, por brindarme un apoyo imprescindible a lo largo de mi carrera, el cual

me ayudó a llegar a la culminación de esta, siendo muestra de un amor incondicional

y mutuo. Gracias por creer en mí y enseñarme a creer en mí.

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, quiero agradecer a mis padres por brindarme el apoyo necesario

durante mi formación como profesional, pero ante todo como persona, porque su

apoyo fue parte fundamental para la realización del presente trabajo de grado y para

el cumplimiento de mis metas.

También quiero agradecer al ingeniero Martin Eduardo Espitia Nery, por dirigirme y

guiarme con sus conocimientos durante la realización del presente trabajo de grado,

gracias por el apoyo y la enseñanza prestada durante este proceso.

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 14

ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN .................................................................. 15

PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .................................... 17

OBJETIVOS .......................................................................................................... 18

GENERAL .......................................................................................................... 18

ESPECÍFICOS ................................................................................................... 18

1. MARCO TEÓRICO ........................................................................................ 19

1.1. POLÍMEROS ............................................................................................ 20

1.1.1. POLIMERIZACIÓN ............................................................................ 20

1.1.2. CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS ................................................... 21

1.1.3. POLIETILENO TEREFTALATO (PET) .............................................. 22

1.2. CONCRETO ............................................................................................. 24

1.2.1. CEMENTO ......................................................................................... 24

1.2.2. AGREGADOS.................................................................................... 24

1.2.3. AGUA ................................................................................................ 26

1.2.4. DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO .......................................... 26

1.2.5. ELABORACIÓN DE CILINDROS ...................................................... 30

1.3. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES ........................ 31

1.3.1. CARACTERIZACIÓN FISICA DE LAS MATERIAS PRIMAS ............ 31

1.3.2. CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LOS CILINDROS .................. 36

1.3.3. CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE

BARRIDO (SEM) ............................................................................................ 37

1.4. BORDILLOS ............................................................................................. 39

2. METODOLOGÍA ............................................................................................ 42

2.1. CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LAS MATERIAS PRIMAS PARA LAS

PROBETAS ....................................................................................................... 44

2.1.1. PROCEDENCIA DE LOS AGREGADOS .......................................... 44

2.1.2. AGREGADO GRUESO ..................................................................... 45

2.1.3. AGREGADO FINO ............................................................................ 45

2.1.4. CEMENTO ......................................................................................... 46

2.1.5. POLÍMEROS ..................................................................................... 46

2.2. DISEÑO DE MEZCLA .............................................................................. 46

2.2.1. CURVA DE RESISTENCIA RELACIONES AGUA – CEMENTO ...... 46

2.2.2. VALORES APROXIMADOS DEL PORCENTAJE DE AGREGADO

FINO Y LA CANTIDAD DE AGUA POR M3 DE CONCRETO ....................... 47

2.3. ELABORACIÓN DE LAS PROBETAS ..................................................... 48

2.3.1. ASENTAMIENTO .............................................................................. 49

2.3.2. ELABORACIÓN Y CURADO ............................................................. 49

2.4. CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LAS PROBETAS ......................... 49

2.5. MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM) ........................... 49

3. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................... 50

3.1. CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LAS MATERIAS PRIMAS PARA LA

FABRICACIÓN DE LAS PROBETAS ................................................................ 50

3.1.1. AGREGADO GRUESO ..................................................................... 50

3.1.2. AGREGADO FINO ............................................................................ 52

3.1.3. CEMENTO ......................................................................................... 54

3.1.4. PET .................................................................................................... 54

3.2. DISEÑO DE MEZCLA .............................................................................. 55

3.3. ELABORACIÓN DE LOS CILINDROS ..................................................... 56

3.4. CARACTERIZACIÒN MECÀNICA DE LAS PROBETAS ......................... 59

3.5. MICROSCOPÍA EECTRÓNICA DE BARRIDO ........................................ 61

CONCLUSIONES .................................................................................................. 74

RECOMENDACIONES ......................................................................................... 76

REFERENCIAS ..................................................................................................... 77

TABLA DE IMÁGENES

Imagen 1. Organización marco teórico. Fuente: Autor. ......................................... 19

Imagen 2. Proceso para obtener PET. (Muñoz Pérez, 2012). ............................... 23

Imagen 3. Metodología gráfica en el diseño de mezclas según el método ACI 211.

(Giraldo Bolivar, 1987). ......................................................................................... 27

Imagen 4. Muestra de concreto visualizada desde microscopio electrónico de

barrido (SEM). (Abril & Ramos, 2017). .................................................................. 37

Imagen 5. Bordillo de concreto (Prefabricados Omega, 2017) .............................. 39

Imagen 6. Colocación de bordillos con extendedora de encofrado deslizante

(Manual de extendedoras de concreto con encofrado deslizante, 2009). ............. 40

Imagen 7. Elementos geométricos de una unidad de bordillo prefabricado (Norma

Técnica Colombiana-NTC41092, 2008). ............................................................... 40

Imagen 8. Proceso metodología. Fuente: Autor. ................................................... 43

Imagen 9. Ubicación planta de producción CONCRESCOL. Fuente: Google Maps.

.............................................................................................................................. 44

Imagen 10. Agregado en la planta de producción CONCRESCOL. Fuente: Autor.

.............................................................................................................................. 45

Imagen 11. Curva de resistencia relaciones agua - cemento de las mezclas. (Abril

& Ramos, 2017). ................................................................................................... 47

Imagen 12. Preparación de la muestra y realización del ensayo de absorción y

densidad de agregados gruesos. Fuente: propia. ................................................. 51

Imagen 13. Curva de granulometría. Fuente: propia. ............................................ 52

Imagen 14. Cono de Abrams y picnómetro con material. Fuente: propia. ............. 53

Imagen 15. Procedimiento ensayo de densidad y absorción del PET. Fuente: Autor.

.............................................................................................................................. 55

Imagen 16. Elaboración cilindros convencionales. Fuente: Autor. ........................ 56

Imagen 17. Verificación asentamiento mezcla cilindros convencionales. Fuente:

Autor. ..................................................................................................................... 57

Imagen 18. Elaboración y curado de cilindros convencionales. Fuente: Autor. .... 57

Imagen 19. Elaboración de cilindros con 5% PET. Fuente: Autor. ........................ 58

Imagen 20. Elaboración y curado cilindros con 5% PET. Fuente: Autor. .............. 58

Imagen 21. Elaboración de cilindros con 10% PET. Fuente: Autor. ...................... 58

Imagen 22. Elaboración y curado de cilindros con 10% PET. Fuente: Autor. ....... 59

Imagen 23. Resistencia a la compresión promedio de los cilindros de concreto

convencional. Fuente: Autor. ................................................................................. 59

Imagen 24. Resistencia a la compresión promedio de los cilindros de concreto con

5% PET. Fuente: Autor. ........................................................................................ 60

Imagen 25. Resistencia a la compresión promedio de los cilindros de concreto con

10% PET. Fuente: Autor. ...................................................................................... 60

Imagen 26. Relación de esfuerzos Vs tiempo de fraguado de los cilindros

convencionales y cilindros con porcentaje PET. Fuente: Autor. ............................ 61

Imagen 27. Imagen SEM concreto convencional con magnificación X30. Fuente:

SEM Universidad de los Andes. ............................................................................ 62

Imagen 28. Imagen SEM limite agregado fino y cemento muestra con 5% PET,

magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes. ................................ 62

Imagen 29. Imagen SEM limite PET y cemento muestra con 5% PET, magnificación

X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes........................................................ 63

Imagen 30. Imagen SEM limite agregado fino y cemento muestra con 10% PET,


Imagen 31. Imagen SEM limite PET y cemento muestra con 10% PET,


Imagen 32. Imagen SEM muestra de concreto convencional con agregados de

forma angular, magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes. ........ 65

Imagen 33. Imagen SEM muestra de concreto con 5% PET con agregados de forma

angular, magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes. .................. 65

Imagen 34. Imagen SEM muestra de concreto con 10% PET con agregados de

forma angular, magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes. ........ 66

Imagen 35. Imagen SEM utilizada para el análisis químico de la muestra de concreto

convencional. Fuente: SEM Universidad de los Andes. ........................................ 66

Imagen 36. Imagen SEM para el análisis químico de la muestra de concreto



con 5% PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes. ......................................... 69

Imagen 38. Imagen SEM para el análisis químico de la muestra de concreto con 5%

PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes. ...................................................... 70


con 10% PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes. ....................................... 71

Imagen 40. Imagen SEM para el análisis químico de la muestra de concreto con

10% PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes. .............................................. 72

Imagen 41. Procedimiento ensayo para determinar la densidad y absorción del

agregado grueso. Fuente: Autor. ........................................................................... 81

Imagen 42. Procedimiento para determinar la granulometría del agregado. Fuente:

Autor. ..................................................................................................................... 82

Imagen 43. Preparación muestra de agregado fino para caracterización física.

Fuente: Autor. ........................................................................................................ 82

Imagen 44. Medición de pesos picnómetro. Fuente: Autor. .................................. 82

Imagen 45. Procedimiento ensayo verificación estado SSS. Fuente: Autor. ......... 83

Imagen 46. Procedimiento succión de vacíos y decantación muestra. Fuente: Autor.

.............................................................................................................................. 83

Imagen 47. Procedimiento ensayo para determinar la densidad del PET. Fuente:

Autor. ..................................................................................................................... 84

Imagen 48. Procedimiento mezclado de agregados para cilindros de concreto

convencional. Fuente: Autor. ................................................................................. 84

Imagen 49. Procedimiento elaboración de cilindros de concreto convencional.

Fuente: Autor. ........................................................................................................ 85

Imagen 50. Procedimiento elaboración de cilindros de concreto con 5% PET.

Fuente: Autor. ........................................................................................................ 85

Imagen 51. Procedimiento elaboración de cilindros de concreto con 10% PET.

Fuente: Autor. ........................................................................................................ 85

Imagen 52. Ensayo de resistencia a compresión cilindros de concreto convencional

(7 días). Fuente: Autor. ......................................................................................... 86


(14 días). Fuente: Autor. ....................................................................................... 86



Imagen 55. Ensayo de resistencia a compresión cilindros de concreto con 5% PET












TABLA DE TABLAS

Tabla 1. Polímeros sintetizados por adición. (Shackelford, 2005). ........................ 20

Tabla 2. Polímeros sintetizados por condensación. (Shackelford, 2005). ............. 21

Tabla 3. Comparación de las tres clases de polímeros. (Askeland & Wridht, 2007).

.............................................................................................................................. 21

Tabla 4. Clasificación de los agregados según su tamaño. (Gutierrez de López, 2003

). ............................................................................................................................ 25

Tabla 5. Valores recomendados para hacer 1𝒎𝟑de concreto según el método

volumétrico. (Romero Quintero & Hernández rico, 2014). ..................................... 29

Tabla 6. Método de ensayo para determinar el asentamiento del concreto. (Abril &

Ramos, 2017). ....................................................................................................... 30

Tabla 7. Elaboración y curado de especímenes de concreto en obra. .................. 30

Tabla 8. Método de ensayo para el análisis por tamizado de los agregados finos y

gruesos. (Abril & Ramos, 2017). ........................................................................... 31

Tabla 9. Determinación de la masa unitaria y los vacíos entre partículas de

agregados. (Abril & Ramos, 2017). ....................................................................... 32

Tabla 10. Método de ensayo para determinar la densidad y la absorción del

agregado grueso. (Abril & Ramos, 2017). ............................................................. 32

Tabla 11. Método de ensayo para determinar por secado el contenido total de

humedad de los agregados. (Abril & Ramos, 2017). ............................................. 33

Tabla 12. Método de ensayo para el análisis por tamizado de los agregados finos y

gruesos. (Abril & Ramos, 2017). ........................................................................... 33

Tabla 13. Método de ensayo para determinar por secado el contenido total de

humedad de los agregados. (Abril & Ramos, 2017). ............................................. 34

Tabla 14. Método para determinar la densidad y la absorción del agregado fino.

(Abril & Ramos, 2017). .......................................................................................... 34

Tabla 15. Método para determinar la densidad del cemento hidráulico. (Abril &

Ramos, 2017). ....................................................................................................... 35

Tabla 16. Método para determinar la consistencia normal del cemento hidráulico.

(Abril & Ramos, 2017). .......................................................................................... 35

Tabla 17. Método para determinar la densidad y la absorción del agregado fino.

(Abril & Ramos, 2017). .......................................................................................... 36

Tabla 18. Elaboración y curado de especímenes de concreto en obra. (Abril &

Ramos, 2017). ....................................................................................................... 36

Tabla 19. Valores aproximados en porcentaje del agregado fino y la cantidad de

agua por 𝐌𝟑de concreto. (Abril & Ramos, 2017). ................................................. 48

Tabla 20. Densidad y absorción agregado grueso. Fuente: propia. ...................... 50

Tabla 21. Granulometría del agregado grueso. Fuente: propia. ............................ 51

Tabla 22. Contenido de humedad natural agregado grueso. Fuente: propia. ....... 52

Tabla 23. Densidad y absorción de agregados finos. Fuente: propia. ................... 53

Tabla 24. Módulo de finura. Fuente: propia. .......................................................... 53

Tabla 25. Contenido de humedad natural agregado fino. Fuente: propia. ............ 54

Tabla 26. Densidad y absorción PET. Fuente: Autor. ........................................... 54

Tabla 27. Datos requeridos para el diseño de mezcla. Fuente: Autor. .................. 55

Tabla 28. Diseño de mezcla para cilindros convencionales. Fuente: Autor. ......... 55

Tabla 29. Diseño de mezcla para cilindros con 5% PET. Fuente: Autor. .............. 56

Tabla 30. Diseño de mezcla para cilindros con 10% PET. Fuente: Autor. ............ 56

Tabla 31. Contenido de los elementos químicos presentes en la muestra de concreto



con 5% PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes. ......................................... 71


con 10% PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes. ....................................... 73

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INTRODUCCIÓN

Las vías han cumplido diferentes funciones a lo largo de la historia de la humanidad estando en relación con el desarrollo y la tecnología. La expansión de las civilizaciones se concibe por la utilización de caminos, además de la necesidad social que define al ser humano y ante el cual se desarrolló la existencia de rutas, sendas y caminos. Este desarrollo conduce al aumento del transporte de vehiculos no motorizados y peatones, dando lugar a la implementacion del bordillo especialmente en vías urbanas, con el fin de dar seguridad a lo usuarios separando la circulacion del transito vehicular y del transito peatonal (Torres Costejón, 2016).

El desarrollo del bordillo como elemento vial va desde la utilizacion de piedras hasta la mezcla de materiales para la conformacion del concreto simple, limitando al elemento a la durabilidad del material la cual depende de factores externos como lo son las condiciones atmosfericas, y de factores internos como las propiedades de los materiales que componen el concreto. El bordillo de concreto puede presentar fallas debido a las condiciones de la preparacion del material o al ser expuesto a cargas que superen la resistencia del concreto (Kosmatka, Kerkhoff, Panarese, & Tanesi, 2004).

La necesidad de hacer uso de métodos constructivos que reduzcan impactos ambientales de forma considerable, de acuerdo con la visión puesta en la conservación de la naturaleza y la mitigacion de la contaminacion desarrollada por el consumo humano, ha generado conciencia sobre la importancia del reciclaje (Castañeda Linares, 2014). De acuerdo con planteamientos técnicos e investigativos el plástico cuenta con un tiempo de degradación entre 100 y 1000 años de manera que las repercusiones en el entorno son considerables y deben identificarse estrategias adecuadas para su mitigación (Maldonado, 2012).

El proyecto plantea como propuesta el uso de plástico tipo Polietileno Tereftalato (PET) en la adición al concreto simple convencionalmente utilizado en la elaboración de bordillos viales, como estrategia de mitigación al impacto ambiental mediante la reutilización de desechos plásticos, dando además una posible apertura a la implementacion de nuevos materiales en este tipo de estructuras.

El presente documento se encuentra estructurado de la siguiente forma: en el primer capítulo se encuentra la revisión documental realizada como base de la investigación a desarrollar; el segundo capítulo expone la metodología planteada para el desarrollo de la investigación; el capítulo tercero contiene los resultados obtenidos mediante el seguimiento de la metodología con el fin de evaluar el PET como agregado al concreto simple para la construcción de bordillos viales; las conclusiones y recomendaciones generadas a partir de la revisión documental y los ensayos realizados.

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ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN

La necesidad en la movilidad de un lugar a otro ha sido un factor determinante en la elaboración de obras tipo caminos o carreteras, con el fin de satisfacer las necesidades de personas y el transporte de mercancías (Blázquez & García, 2000) con el paso del tiempo los caminos se convirtieron en espacios más transitados; durante el siglo XV surge la necesidad de separar los diferentes tipos de tráfico como peatones y vehículos, puesto que para la época aunque estos no eran motorizados, los riesgos en los que se incurría al compartir las vías para unos y otros era elevado, lo que da origen a la construcción de andenes que de alguna forma eran configurados con la ayuda de bordillos (Carter, 1982). Los primeros bordillos fueron construidos a partir de piedras de granito o caliza con geometría irregular, en este contexto las vías conservaban también una superficie irregular con calles empedradas o en material afirmado; posteriormente se encuentran elementos realizados con bloques de arcilla los cuales fueron reemplazados por los bordillos de concreto aún utilizados en la actualidad. Estos últimos a pesar de que en ocasiones no representan las mejores opciones por los procesos requeridos para su instalación, son los mas usados y que reflejan la durabilidad más satisfactoria (Carter, 1982) Existen dos formas de construir el bordillo de concreto in situ, la primera consiste en fundir el concreto directamente en donde será ubicado el bordillo (Wallevik, 2003), la segunda forma es, mediante el uso de una maquina extendedora de concreto tambien conocida como extendedora de encofrado deslizante (Wirtgen, 2009). Otro tipo de bordillos son los prefabricados, estos elementos son fabricados antes de ser llevados al sitio en donde seran ubicados en la via, estos bordillos se caracterizan por tener espacios huecos dentro de su estructura, estos espacios se hacen con el fin de aumentar el aligeramiento del elemento en ocasiones dependiendo de la configuración, pueden ser útiles para el paso de ductos de cableado y demás por los mismos, como se observa en la figura 2 (Norma Tecnica Colombiana, 2008). Estudios muestran que se ha implementado en las obras civiles el uso de plástico, con el fin de reutilizar este tipo de materiales después de usados y que clásicamente tienden a ser desechados; parte de los usos que se han dado a este tipo de materiales, ha sido en mampostería no estructural, utilizado como ladrillos a base de Polietileno Tereftalato (PET), esto permite modificar algunos tipos de insumos usados en la construcción y que son catalogados como material común, pero que puede ser reemplazado por material ambientalmente sostenible (Al-Salem, Lettieri, & Baeyens, 2009 ). El plástico también es utilizado en la modificación de mezclas asfálticas, las cuales modifican su comportamiento mecánico ofreciendo resultados que al compararlos con las mezclas asfálticas no modificadas reflejan mejoramiento de la calidad (Maharaj, Maharaj, & Maynard, 2015). El uso de plástico en la construccion tambien se ve implementado en el diseño de mezclas de concreto hidráulico adicionado con polimeros, estas mezclas presentan caracteristicas de

16

resistencia y durabilidad aptas para la construccion de estructuras de hormigon, sin embargo está limitada a la capacidad de carga que puede soportar la mezcla, la cual depende de la proporcion de materiales en la misma (Kalantar, Karim, & Mahrez, 2012).

Teniendo en cuenta las ventajas presentadas por los materiales plásticos, en la última década su uso ha aumentado, generando grandes cantidades empleadas. Por esta razón se buscan soluciones a los problemas derivados del alto consumo de plástico, evaluando métodos como el reciclaje, siendo esto un aspecto importante de la economía nacional (Meran, Ozturk, & Yuksel, 2008). Los residuos plásticos llegan al medio ambiente desde vertederos mal gestionados o por productos plásticos descargados de forma descuidada. Los contaminantes plásticos no solamente incluyen desechos plásticos de gran tamaño sino también pequeñas piezas de plástico en el rango de los milímetros. Los residuos plásticos llamados “microplasticos” se han convertido en la mayor preocupación debido a estar ampliamente dispersos en diferentes matrices ambientales (aguas, superficiales, océanos y sedimentos) y diversos organismos (Sarria & Gallo, 2016).

Es tal la acumulación de residuos plásticos en los océanos, que en el centro del océano Pacıfico del Norte, entre Japón y California, existe una zona denominada, “la sopa de Plástico”, “la isla de la basura” o “el parche de basura del norte”, entre otros nombres. Esta zona del océano está cubierta por una gran cantidad de desechos con un alto porcentaje de plástico. Este fenómeno se da, por la existencia de zonas, donde el mar está quieto por la ausencia de viento y de corrientes, haciendo que lo que el agua arrastra a estas zonas se acumule (Sarria & Gallo, 2016). Por esta razón la reutilización de desechos plásticos es un factor importante para mitigar los impactos ambientales generados por el mal manejo dado a los desechos, en consecuencia a esto en el presente trabajo de grado se plantea la reutilización del plástico como material de construcción de bordillos viales.

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PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

El creciente consumo mundial de plásticos genera anualmente millones de toneladas de residuos que son depositados en el subsuelo y en los océanos. Los plásticos han sido de gran interés en los últimos años debido a su gran consumo y el efecto ambiental que este genera debido al manejo que se da a dichos residuos, dicha situación está afectando los ecosistemas en cada uno de los focos naturales (Derraik, 2002). En la actualidad se busca implementar metodos de uso de los plásticos, de tal modo que mitiguen el efecto negativo en el ambiente generado por materiales que rebasan la capacidad de los ecosistemas para degradarlos (Morillas & Maribel Velasco Pérez, 2016) En este sentido, identificar nuevos materiales como por ejemplo el PET en el uso en los bordillos, como elementos viales construidos generalmente a partir de concreto, pueden conducir a nuevas estrategias de durabilidad, dado que la resistencia de este material depende del medio al que se encuentra expuesto y a las propiedades internas del mismo; condiciones atmosféricas, temperaturas extremas, abrasion, ataques por liquidos y gases, cambios de volumen debidos a diferencias propiedades del agregado y de la pasta del cemento, ademas de las cargas que a este se le impongan, son entre otras, factores que inciden en el deterioro del material usado hasta la fecha para este tipo de obras (Kosmatka, Kerkhoff, Panarese, & Tanesi, 2004). En consecuencia, las condiciones a las que son expuestos los bordillos de concreto, conllevan a la falla de su estructura generando inseguridad vial para el transito vehicular y el transito peatonal que son delimitados por dicha estructura, debido a las discontinuidades que se generan con la pérdida de material (Papageorgiou, Diakaki, Dinopoulou, Kotsialos, & Wang, 2003). Acorde con lo mencionado anteriormente y el objetivo planteado para el presente proyecto, se pretende dar respuesta a la siguiente pregunta: ¿es posible utilizar material PET como agregado del concreto utilizado en la construcción de bordillos viales, sin que este deteriore sustancialmente sus propiedades mecánicas?.

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OBJETIVOS

GENERAL

Identificar la viabilidad del uso de Polietileno Tereftalato (PET), como material agregado para la construcción de bordillos para obras viales.

ESPECÍFICOS

Revisar de manera documental los usos dados al PET como material en la construcción.

Desarrollar pruebas comparativas de propiedades mecánicas del PET, con concreto hidráulico como material clásico usado en la elaboración de bordillos.

Identificar mediante microscopía electrónica de barrido el área de unión entre materiales de los cilindros elaborados con concreto simple y concreto simple con agregado PET.

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1. MARCO TEÓRICO

El capítulo 1 describe las materias primas tomadas como base para el desarrollo del presente trabajo de investigación, identificando su función y clasificación (ver imagen 1). Así mismo, se exponen los métodos existentes para llevar a cabo el diseño de mezcla, describiendo el procedimiento de cada método. Seguido a esto se establecen las técnicas que se tendrán en cuenta para la caracterización de las materias primas y los especímenes obtenidos a partir del diseño de mezcla. Finalmente se podrá encontrar la definición de los bordillos y la clasificación de estos según el método constructivo por el cual se lleven a cabo.

Imagen 1. Organización marco teórico. Fuente: Autor.

MA

RC

OTE

ÓR

ICO

POLÍMEROS

POLIMERIZACIÓN

CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS

POLIETILENO TEREFTALATO (PET)

CONCRETO

CEMENTO

AGREGADOS

AGUA

DISEÑOS DE MEZCLA DE CONCRETO

ELABORACIÓN DE CILINDROS

TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE

MATERIALES

TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN FÍSICA

CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LOS CILINDROS

TÉCNICA DE CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

DE BARRIDO (SEM)

BORDILLOSCLASIFICACIÓN SEGÚN

SU MÉTODO CONSTRUCTIVO

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1.1. POLÍMEROS

Los polímeros son moléculas lineales o ramificadas, formadas por la repetición indefinida de grupos funcionales simples (monómeros) que se componen básicamente de carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. Los polímeros se forman por la unión de cadenas largas de moléculas llamadas monómeros los cuales están compuestos de hidrocarburo. Según sea el compuesto que lo identifique, el polímero se puede distinguir: acrílico (oxígeno), nylon (nitrógeno), plástico fluorado (flúor), silicona (sílice), entre otros (Shackelford, 2005).

1.1.1. POLIMERIZACIÓN

La polimerización es el proceso químico mediante el cual a través de calor se unen varias moléculas de un compuesto para formar una cadena de múltiples eslabones de estas y obtener una macromolécula llamada polímero (Shackelford, 2005).

Se distinguen dos tipos de polimerización: por adición y por condensación. La polimerización por adición el polímero es sintetizado por la adición de monómero insaturado a una cadena de crecimiento, dando lugar a polímeros como el polietileno (PE), polímeros vinílicos y acrílicos (tabla 1) (Shackelford, 2005).

Tabla 1. Polímeros sintetizados por adición. (Shackelford, 2005).

La polimerización por condensación exige moléculas distintas, bifuncionales y reactantes, en proporción estequiométrica, que se combinan durante la polimerización, con o sin eliminación de subproducto, normalmente agua (tabla 2) (Shackelford, 2005).

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Tabla 2. Polímeros sintetizados por condensación. (Shackelford, 2005).

1.1.2. CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS

Los polímeros se clasifican de varias formas: primero, según la manera en que las moléculas son sintetizadas; segundo, según en función de su estructura molecular y tercero, por su familia química. Sin embargo, el método más usado para describir los polímeros es en función de su comportamiento mecánico y térmico (tabla 3) (Askeland & Wridht, 2007).

Tabla 3. Comparación de las tres clases de polímeros. (Askeland & Wridht, 2007).

Los polímeros termoplásticos se componen de largas cadenas producidas al unir monómeros y se comportan de una manera plástica y dúctil. Al ser sometidos a elevadas temperaturas, estos polímeros se ablandan y se comportan como un flujo viscoso, por lo cual son fácilmente reciclables. Otros polímeros son los termoestables los cuales están compuestos por largas cadenas de moléculas con fuertes enlaces cruzados entre las cadenas para formar estructuras de redes tridimensionales, estos polímeros generalmente son más resistentes, aunque más frágiles que los termoplásticos y es difícil reprocesarlos una vez ocurrida la formación de enlaces cruzados. Finalmente, los elastómeros tienen una estructura intermedia atribuyendo la capacidad de deformarse elásticamente en grandes cantidades sin cambiar de forma permanentemente (Askeland & Wridht, 2007).

La polimerización de estos tres tipos de polímeros normalmente se inicia con la producción de largas cadenas, en las cuales los átomos se unen fuertemente con

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enlaces covalentes. El número y la resistencia de los enlaces le da a cada uno sus propiedades especiales, sin embargo se debe hacer notar que las diferencias entre estos estos tres tipos a menudo es muy sutil (Askeland & Wridht, 2007).

1.1.3. POLIETILENO TEREFTALATO (PET)

El PET es un polímero que se obtiene mediante una reacción de policondensación entre el ácido tereftálico y el etilenglicol. Pertenece al grupo de materiales sintéticos denominados poliésteres. Es un polímero termoplástico lineal, con un alto grado de cristalinidad. Como todos los termoplásticos puede ser procesado mediante: extrusión, inyección, inyección y soplado, soplado de preforma y termoconformado (Sherwell Betancourt, 2014).

1.1.3.1. OBTENCIÓN DEL PET

El PET fue patentado como un polímero termoplástico lineal cristalino para fibra por J.R. Whinfield y J.T. Dickson durante la II Guerra Mundial en 1941 para sustituir la materia prima que se utilizaba en lo textil (algodón) por la fibra de poliéster (Sherwell Betancourt, 2014).

La obtención del PET se puede dar partiendo de dos productos diferentes: Ácido tereftalático (TPA) o Dimetil tereftalato (DMT). Haciendo reaccionar TPA o DMT con glicol etilénico mediante el proceso de esterificación se obtiene un monómero el cual, en una fase sucesiva, por medio de policondensación, se polimeriza en resina PET. Ya teniendo la resina PET en estado sólido y amorfo se cristaliza y polimeriza con la finalidad de incrementar el peso molecular y la viscosidad. El resultado es la resina que se utiliza para los envases. El producto más comúnmente utilizado para la producción de dicha resina es el TPA (Muñoz Pérez, 2012). En la imagen 2 se puede observar el diagrama para la producción de PET.

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Imagen 2. Proceso para obtener PET. (Muñoz Pérez, 2012).

1.1.3.2. PROPIEDADES GENERALES DEL PET

El PET es un material caracterizado por su gran ligereza, resistencia mecánica a la compresión, alto grado de transparencia y brillo (Meran, Ozturk, & Yuksel, 2008). A continuación, se resaltan algunas de las propiedades características de dicho material:

Actúa como barrera para los gases como el dióxido de carbono

Resistencia a esfuerzos permanentes, al desgaste y a la corrosión

Alta resistencia química y buenas propiedades térmicas

Impermeable

Es un material reciclable

Compatible con otros materiales

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1.2. CONCRETO

El concreto hidráulico es una mezcla homogénea de cemento, agua, agregado (arena y grava) y en algunos casos de aditivos. El concreto presenta una alta resistencia a la compresión, pero una baja resistencia a la tensión, siendo la tensión generalmente el 10% de la resistencia a los esfuerzos de compresión (Gutierrez de López, 2003 ). A continuación, se describirán los materiales que componen el concreto.

1.2.1. CEMENTO

El cemento es un conglomerante hidráulico, esto es, material artificial de naturaleza inorgánica y mineral, que finamente molido y convenientemente amasado con agua forma pastas que fraguan y endurecen a causa de las reacciones de hidrólisis e hidratación de sus constituyentes, dando lugar a productos hidratados mecánicamente resistentes y estables, tanto al aire como al agua. El cemento portland está compuesto principalmente por silicatos de calcio, y en menor proporción, por aluminatos de calcio que mezclado con agua se combina, fragua y endurece a temperatura ambiente (Sanjuán & Chinchón, 2004 ). Este material se caracteriza por sus propiedades de adhesión y cohesión, funcionando como aglutinante ante la presencia de aire y agua, uniendo el material de relleno como lo es el agregado con los demás componentes, con el fin de obtener la mezcla para el adecuado comportamiento del concreto (Sánchez de Guzman, 2001).

1.2.2. AGREGADOS

Los agregados constituyen un factor determinante en la economía, durabilidad y estabilidad en las obras civiles, pues ocupan allí un volumen muy importante. Estos materiales ocupan del 70-80% del volumen del concreto, por lo tanto, muchas de las características del concreto dependen de las propiedades de los agregados por lo cual estos deben contar con buenas propiedades de resistencia y durabilidad (Gutierrez de López, 2003 ).

1.2.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS AGREGADOS

Los agregados pueden ser clasificados de tres formas: según su procedencia, según su tamaño y según su densidad.

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1.2.2.1.1. SEGÚN SU PROCEDENCIA

Según sea la procedencia del agregado este se puede clasificar como natural o artificial, diferenciados a continuación:

Los agregados naturales son aquellos que provienen de la explotación de canteras o son producto del arrastre de río. El material de río al sufrir los efectos de arrastre, adquiere una textura lisa y una forma redondeada que lo diferencian del material de cantera que por el proceso de explotación tiene superficie rugosa y forma angulosa (Gutierrez de López, 2003 ).

Los agregados artificiales son aquellos que productos y procesos industriales, tales como arcillas expandidas, escorias de altos hornos, limaduras de hierros, entre otros (Gutierrez de López, 2003 ).

1.2.2.1.2. SEGÚN SU TAMAÑO

Según sea el tamaño del agregado este se puede clasificar como agregado grueso (grava), agregado fino (arena) y finos. El agregado grueso es aquel material que queda retenido en el tamiz No. 4 y cuenta con un tamaño que varía de 7.6 cm a 4.76 mm. El agregado fino es aquel material que pasa el tamiz No. 4 y queda retenido en el tamiz No. 200, y su tamaño varía de 4.76 mm y 0.074 mm. Finalmente, el agregado fino es el material que pasa el tamiz No. 200 y su tamaño varía entre 0.074 mm y 0.002 mm. En la tabla 4 se muestra la clasificación detallada de los agregados según su tamaño (Gutierrez de López, 2003 ).

Tabla 4. Clasificación de los agregados según su tamaño. (Gutierrez de López, 2003 ).

1.2.2.1.3. SEGÚN SU DENSIDAD

Otra forma de clasificar los agregados es según su densidad, es decir la masa por unidad de volumen, incluyendo el volumen de sus vacíos; la importancia de esta

TAMAÑO DE LA PARTICULA EN mmDENOMINACION

CORRIENTECLASIFICACIÓN

Pasante del tamiz N° 200 inferior a 0.002 mm Arcilla Fracción fina o finos

Entre 0.002-0.074 mm Limo

Pasante del tamiz N° 4 y retenido en el tamiz N° 200 Arena Agregado fino

Es decir entre 4.76 mm y 0.074 mm

Retenido en el tamiz N° 4

Entre 4.76 mm y 19.1 mm (N°4 y 3/4") Gravilla

Entre 19.1 mm y 50.8 mm (3/4" y 2") Grava Agregado grueso

Entre 50.8 mm y 152.4 mm (2" y 6") Piedra

Superior a 152.4 mm (6") Rajón, Piedra bola

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clasificación radica en el peso final del producto cuando se emplean estos agregados, por ejemplo, el concreto ligero. Según su densidad los agregados se clasifican en: ligeros: su densidad está entre 480-1040 kg/m3 o normal: entre 1300 y 1600 kg/m3 (Gutierrez de López, 2003 ).

1.2.3. AGUA

El agua es un componente esencial en las mezclas de concreto y mortero, pues permite que el cemento desarrolle su capacidad ligante. El agua utilizada en la elaboración del concreto y mortero debe ser apta para el consumo humano, libre de sustancias como aceites, ácidos, sustancias alcalinas y materias orgánicas. Para cada cuantía de cemento existe una cantidad de agua del total de la agregada que se requiere para la hidratación del cemento; el resto del agua sólo sirve para aumentar la fluidez de la pasta para que cumpla la función de lubricante de los agregados y se pueda obtener la manejabilidad adecuada de las mezclas frescas. El agua adicional es una masa que queda dentro de la mezcla y cuando se fragua el concreto, va a crear porosidad, lo que reduce la resistencia. El agua de curado tiene por objeto mantener el concreto saturado para que se logre la casi total hidratación del cemento, permitiendo el incremento de la resistencia (Gutierrez de López, 2003 ).

1.2.4. DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO

El proceso de determinación de las características requeridas del concreto que se pueden especificar se llama diseño de mezcla, este diseño se desarrolla mediante el proporcionamiento de mezcla el cual se refiere a la determinación de las cantidades de los ingredientes del concreto. El proceso de diseño de mezcla puede llevarse a cabo a través de los métodos expuestos a continuación.

1.2.4.1. MÉTODO ACI 211

Es un método empírico cuyos resultados han sido confirmados por una amplia información experimental. El procedimiento de diseño se puede realizar ya sea mezclando los materiales por volumen absoluto y luego calculando los pesos de cada uno de los componentes o calculando directamente el peso del hormigón y deduciendo luego el peso de cada uno de los ingredientes, siempre para obtener un metro cubico de hormigón. En la imagen 3 se identifica el proceso de diseño de mezcla por el método ACI 211 (Giraldo Bolivar, 1987).

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Imagen 3. Metodología gráfica en el diseño de mezclas según el método ACI 211. (Giraldo Bolivar, 1987).

El procedimiento para el diseño de mezcla en este método se indica a continuación:

Elección de la trabajabilidad de la mezcla a partir del asentamiento deseado.

Elección del tamaño máximo del agregado.

Estimación inicial del contenido de agua y aire en la mezcla.

Cálculo de la resistencia crítica de la mezcla.

Elección de la relación agua-cemento (a/c).

Cálculo del contenido de cemento.

Estimación del contenido de agregado grueso y agregado fino.

Corrección del contenido de humedad en los agregados.

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1.2.4.2. MÉTODO FULLER-THOMPSON

Es un método aplicado desde 1907 cuando Fuller y Thompson seleccionaron una curva granulométrica continua para la composición óptima de los agregados, relacionando el tamaño máximo del agregado y la abertura de los tamices por los cuales pasan. Se recomienda utilizar este método cuando la cantidad de cemento es mayor a 300 kg por cada metro cúbico de concreto, los agregados sean de forma redondeada y el agregado grueso no supere un tamaño entre 3/4” y 2” (Giraldo Bolivar, 1987).


Selección de la consistencia del concreto.

Estimación del tamaño máximo del agregado.

Determinación de la cantidad de agua de la mezcla.

Determinación de la resistencia de diseño.

Determinación de la relación agua-cemento (a/c).

Determinación de los porcentajes de agregados en la mezcla.

Dosificación por metro cúbico.

1.2.4.3. MÉTODO BOLOMEY

Es un método aplicado en el año 1925, en el cual Bolomey propuso una curva granulométrica continua de agregado más cemento, muy similar a la propuesta por Fuller y Thompson. La curva de Bolomey es aplicada en dosificaciones de concreto para grandes estructuras como presas, muros de gravedad, vertederos, entre otros (Giraldo Bolivar, 1987).


Selección de la consistencia del concreto.

Selección del tamaño máximo del agregado.

Determinación del contenido de agua.

Determinación de la relación agua-cemento (a/c).

Determinación de la proporción de los agregados.

Dosificación por metro cúbico.

1.2.4.4. MÉTODO FAURY

Es un método aplicado en el año 1942 en el cual Faury propone una nueva ley granulométrica de tipo continuo que depende de la raíz quinta del tamaño del agregado. Además propone que existen dos tipos de agregados: los finos y medios

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cuyos tamaños son menores que la mitad del tamaño máximo de todos los agregados (menor que D/2), y los gruesos con tamaños mayores a D/2 (Giraldo Bolivar, 1987).

1.2.4.5. MÉTODO VOLUMÉTRICO

Es el método empírico para dosificar mezclas de concreto más antiguo del mundo; es usado por su facilidad y comodidad para calcular la cantidad de material aglutinante (cemento) y pétreo (grava y arena) para un metro cúbico de mezcla. La tabla 5 muestra los valores recomendados en proporciones de los materiales principales de la mezcla, para diferentes valores de resistencia a la compresión del concreto (Romero Quintero & Hernández rico, 2014).

Tabla 5. Valores recomendados para hacer 1𝒎𝟑de concreto según el método volumétrico. (Romero Quintero & Hernández rico, 2014).

Información requerida para el diseño de mezcla

Análisis granulométrico de los agregados.

Peso unitario compactado de los agregados (fino y grueso).

Peso específico de los agregados (fino y grueso).

Contenido de humedad y porcentaje de absorción de los agregados (fino y grueso).

Perfil y textura de los agregados.

Tipo y marca del cemento.

Peso específico del cemento.

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1.2.5. ELABORACIÓN DE CILINDROS

La elaboración de cilindros es un proceso clave para la obtención de resultados válidos y acertados. El adecuado diseño de mezcla y el correcto proceso de fundición son factores fundamentales para elaborar con éxito los cilindros que serán sometidos a ensayos de resistencia. El proceso de elaboración está guiado por la Norma Técnica Colombiana (NTC) la cual da los parámetros para la elaboración de estos especímenes.

Asentamiento: Se somete la mezcla al método de ensayo para determinar el asentamiento del concreto en estado fresco mediante el uso de una varilla y un molde cónico, con la finalidad de identificar la plasticidad y cohesión de la mezcla, en la tabla 6 se describe la norma aplicativa para este ensayo.

Tabla 6. Método de ensayo para determinar el asentamiento del concreto. (Abril & Ramos, 2017).

Elaboración y curado de especímenes: Se siguen los procedimientos establecidos en la norma descrita en la tabla 7 para fundir adecuadamente los cilindros.

Tabla 7. Elaboración y curado de especímenes de concreto en obra.

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1.3. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES

La caracterización de materiales se refiere a la identificación de un material a partir del estudio de sus propiedades físicas, químicas y estructurales. Existen para ello distintas técnicas de caracterización, de acuerdo al interés que despierte el material a estudiar y una vez conocidas sus características pueden establecerse sus posibles aplicaciones (Fombuena, Fenollar, & Montañés, 2016). A continuación, se describen las técnicas de caracterización necesarias para el desarrollo de este trabajo.

1.3.1. CARACTERIZACIÓN FISICA DE LAS MATERIAS PRIMAS

La caracterización física de los materiales que compondrán el concreto a diseñar es un aspecto importante debido a que los agregados y el cemento utilizados para la mezcla tienen un factor importante en el comportamiento del concreto en estado fresco y las características obtenidas en estado endurecido. En el presente trabajo se tomará la Norma Técnica Colombiana (NTC) como la norma guía para el desarrollo de los ensayos de laboratorio determinantes para la caracterización de los materiales.

1.3.1.1. AGREGADO GRUESO

Tamaño máximo: se somete la muestra al ensayo de granulometría con el fin de identificar el tamaño máximo, en la tabla 8 se describe la norma aplicativa a este ensayo.

Tabla 8. Método de ensayo para el análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos. (Abril & Ramos, 2017).

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Peso unitario: se somete la muestra al proceso de apisonamiento y paleo con el fin de identificar su peso unitario, en la tabla 9 se describe la norma aplicativa para este ensayo.

Tabla 9. Determinación de la masa unitaria y los vacíos entre partículas de agregados. (Abril & Ramos, 2017).

Absorción y densidad: se somete la muestra al ensayo de absorción y densidad, en la tabla 10 se describe la norma aplicativa para este ensayo.

Tabla 10. Método de ensayo para determinar la densidad y la absorción del agregado grueso. (Abril & Ramos, 2017).

Humedad natural: se somete la muestra al ensayo de humedad natural mediante el método por secado, en la tabla 11 se describe la norma aplicativa para este ensayo.

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Tabla 11. Método de ensayo para determinar por secado el contenido total de humedad de los agregados. (Abril & Ramos, 2017).

1.3.1.2. AGREGADO FINO

Módulo de finura: se somete el agregado fino a un análisis de tamizado con el fin de conocer el módulo de finura del material, en la tabla 12 se describe la norma aplicativa para este ensayo.

Tabla 12. Método de ensayo para el análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos. (Abril & Ramos, 2017).

Humedad natural: se somete la muestra al ensayo de humedad natural mediante el método por secado, en la tabla 13 se describe la norma aplicativa para este ensayo.

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Tabla 13. Método de ensayo para determinar por secado el contenido total de humedad de los agregados. (Abril & Ramos, 2017).

Absorción y densidad: se somete la muestra al ensayo de absorción y densidad, en la tabla 14 se describe la norma aplicativa para este ensayo.

Tabla 14. Método para determinar la densidad y la absorción del agregado fino. (Abril & Ramos, 2017).

1.3.1.3. CEMENTO

Densidad: se somete la muestra al ensayo de densidad con el fin de determinar el peso específico del material, en la tabla 15 se describe la norma aplicativa para este ensayo.

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Tabla 15. Método para determinar la densidad del cemento hidráulico. (Abril & Ramos, 2017).

Consistencia normal: se somete la muestra al ensayo para la determinación de la consistencia normal, en la tabla 16 se describe la norma aplicativa para este ensayo.

Tabla 16. Método para determinar la consistencia normal del cemento hidráulico. (Abril & Ramos, 2017).

1.3.1.4. POLÍMEROS

Absorción y densidad: se somete la muestra al ensayo de absorción y densidad con el método utilizado para el agregado fino debido a que el polímero a trabajar cumple con los tamaños requeridos de agregado fino, en la tabla 17 se describe la norma aplicativa para este ensayo.

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Tabla 17. Método para determinar la densidad y la absorción del agregado fino. (Abril & Ramos, 2017).

1.3.2. CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LOS CILINDROS

La caracterización mecánica realizada a los cilindros elaborados en el presente trabajo, se llevará a cabo a través del análisis de la resistencia a la compresión que presentan los cilindros en estudio. Se toma como guía la Norma Técnica Colombiana (NTC) para los ensayos de resistencia mecánica a la compresión.

Resistencia a la compresión: para realizar el ensayo de resistencia a compresión es necesario dar una hidratación adecuada a los cilindros, en la tabla 18 se describe la norma aplicativa para este ensayo.

Tabla 18. Elaboración y curado de especímenes de concreto en obra. (Abril & Ramos, 2017).

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1.3.3. CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM)

La microscopía electrónica de barrido se usa para la observación de superficies de muestras. Cuando la muestra se irradia con un fino haz de electrones, se emiten electrones secundarios desde la superficie de la muestra. La topografía de la superficie se puede observar mediante el barrido bidimensional de la sonda electrónica sobre la superficie y la adquisición de una imagen a partir de los electrones secundarios detectados (JEOL , 2018). En la imagen 4 se observa una muestra de concreto ampliada desde un microscopio electrónico de barrido.

Imagen 4. Muestra de concreto visualizada desde microscopio electrónico de barrido (SEM).

(Abril & Ramos, 2017).

Una de las principales características de este instrumento es la existencia de una correspondencia biunívoca (punto a punto) establecida entre la muestra a examinar y la imagen formada, correspondencia que se establece al mismo tiempo, de forma que cubriría a la muestra en series de tiempo, quedando la imagen dividida en muchos elementos fotográficos los cuales serían captados por el sistema fotográfico instalado en el instrumento e integrados en una sola imagen que nos informa sobre la apariencia cúbica de material en estudio (Piqueras & Faura). Existen señales que se producen por la interacción entre el haz electrónico y la muestra que son, en definitiva, las que darán lugar a la formación de la imagen. Estas señales pueden ser clasificadas en los grupos descritos a continuación (Universidad de los Andes, 2018):

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Electrones secundarios: La propia muestra emite electrones secundarios debido a la colisión con el haz incidente para generar imágenes tridimensionales de alta resolución SEI (Secundary Electron Image), la energía de estos electrones es muy baja, inferior a 50 eV, por lo que los electrones secundarios provienen de los primeros nanómetros de la superficie.

Electrones retrodispersados: Algunos electrones primarios son reflejados o retrodispersados tras interactuar con los átomos de la muestra. La intensidad de emisión de estos electrones está directamente relacionada con el número atómico medio de los átomos de la muestra (Z promedio), así los átomos más pesados producen mayor cantidad de electrones retrodispersados, permitiendo la obtención de imágenes planas de composición y topografía de la superficie BEI (Backscattered Electron Image).

Absorción de electrones: La muestra absorbe electrones en función del espesor y la composición; esto produce la diferencia de contraste en la imagen.

Emisión de rayos X: Cuando los electrones de niveles internos son expulsados por la interacción de los electrones primarios, habrá transiciones entre los niveles de energía con emisión de rayos X, esta energía y longitud de onda están relacionadas con la composición elemental del espécimen, permitiendo realizar análisis químicos mediante espectroscopía por dispersión de energía y de longitud de onda (EDS y WDS).

Emisión de electrones Auger: Cuando un electrón es expulsado de un átomo, otro electrón más externo puede saltar hacia el interior para llenar esta vacancia resultando en un exceso de energía. Esta energía extra puede ser liberada emitiendo un nuevo electrón de la capa más externa (electrón Auger). Son utilizados para obtener información sobre la composición de pequeñísimas partes de la superficie de la muestra.

Todas estas señales están relacionadas entre sí y dependen en gran medida de la topografía, el número atómico y el estado químico de la muestra; por lo tanto, un microscopio de barrido de electrones suministra información morfológica, topográfica y composicional de las superficies de las muestras (Universidad de los Andes, 2018).

1.3.3.1. CARACTERIZACIÓN POR SEM EN MUESTRAS DE CONCRETO

La microscopía electrónica de barrido permite evaluar la microestructura del concreto y los áridos que componen el mismo, analizando la mineralogía de sus componentes, caracterizando su textura y porosidad, además de la relación existente entre los áridos y la pasta. Esta técnica permite conocer el estado del concreto en cuanto a su edad y la durabilidad que este presenta teniendo en cuenta el deterioro de su estructura debido a los minerales que lo degradan (Gregerová & Vsianský, 2009 ).

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Teniendo en cuenta la metodología utilizada en esta técnica, en la cual es posible realizar un recubrimiento en la superficie de la muestra en donde se impregnan los vacíos, se pueden generar unas imágenes a través del microscopio en donde se visualice y cuantifique la porosidad capilar del concreto en estado endurecido, obteniendo datos cuantitativos de la relación agua-cemento existente en la muestra, lo cual conlleva a reconocer el efecto de dicha relación sobre la resistencia del concreto en estado endurecido (Sahu, Badger, Thaulow, & Lee, 2004 ).

1.4. BORDILLOS Los bordillos son elementos viales utilizados para la delimitación del final de la vía vehicular y el comienzo de la vía peatonal, mediante el desnivel entre la calzada y el andén (ver imagen 5) (Crosbie & Vo, 2000). Dichos elementos viales son construidos a partir de concreto simple, este concreto debe estar constituido por un cemento portland, agregados pétreos que no superen los 19.0 mm (3/4”). La resistencia mínima a la compresión de la mezcla de concreto no debe ser menor a 14 MPa (2100 psi) y puede contar con acero de refuerzo si el diseño lo requiere (Instituto Nacional de Vias, 2008).

Imagen 5. Bordillo de concreto (Prefabricados Omega, 2017)

Existen dos formas de construir el bordillo de concreto in situ, la primera consiste en nivelar y compactar el terreno verificando la calidad del suelo sobre el cual se ubicará el bordillo (Wallevik, 2003), para ellos se usan formaletas metalicas que una vez vertido el concreto, se pasa al proceso de fraguado y posterior curado, el cual no puede ser inferior a diez dias (INVIAS, 2007). La segunda forma de costruccion in situ del bordillo de concreto es, mediante el uso de una maquina extendedora de concreto tambien conocida como extendedora de encofrado deslizante. Dicha maquina extendedora trabaja de forma continua y no necesita de moldes de encofrados estaticos en el sitio, debido a que esta cuenta con encofrados montados en sus partes laterales, de igual forma cuenta con un sistema de alimentacion de concreto dando facilidad al transporte del material hacia

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el encofrado deslizante en donde finalmente el bordillo es situado como se observa en la imagen 6 (Wirtgen, 2009).

Imagen 6. Colocación de bordillos con extendedora de encofrado deslizante (Manual de

extendedoras de concreto con encofrado deslizante, 2009).

Otro tipo de bordillos son los prefabricados, estos elementos son fabricados antes de ser llevados al sitio en donde seran ubicados en la vía, generalmente se realizan como un material que se vende a modo de suministro, dado que esto facilita los procesos de construccion cuando las obras así lo requieren. Su fundicion se hace en formaletas metalicas previamente dimensionadas. Estos bordillos se caracterizan por tener espacios huecos dentro de su estructura, estos espacios se hacen con el fin de aumentar el aligeramiento del elemento en ocasiones dependiendo de la configuración, pueden ser útiles para el paso de ductos de cableado y demás por los mismos, como se observa en la imagen 7 (Norma Tecnica Colombiana, 2008).

Imagen 7. Elementos geométricos de una unidad de bordillo prefabricado (Norma Técnica Colombiana-NTC41092, 2008).

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La identificación de los materiales, así como los métodos utilizados para la caracterización de los mismos y las normas que rigen estos métodos, son un factor primordial para el desarrollo de la presente investigación, debido a que estos rigen el control de los parámetros que se deben tener en cuenta para los procesos incluidos en caracterización física de las materias primas y la caracterización mecánica de los especímenes a evaluar. Así mismo, es fundamental conocer los procesos constructivos de los bordillos viales para guiar el desarrollo de la investigación expuesta en el presente trabajo, hacia el cumplimiento de los parámetros requeridos por la Norma Técnica Colombiana para los bordillos viales.

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2. METODOLOGÍA

El capítulo 2 describe la metodología utilizada para el desarrollo del presente trabajo de grado (ver imagen 8), encontrándose las normas estipuladas para los procesos incluidos en: caracterización física de las materias primas, diseño de mezcla, elaboración de los cilindros y caracterización mecánica de las materias primas, además de la preparación previa necesaria para la evaluación de las muestras en el ensayo SEM. Las normas tomadas como guía de este proceso son las descritas en la Norma Técnica Colombiana, las cuales están expuestas en los métodos descritos a continuación.

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Imagen 8. Proceso metodología. Fuente: Autor.

MET

OD

OLO

GÍA

CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LAS MATERIAS PRIMAS

AGREGADO GRUESO

(NTC 176) DENSIDAD Y ABSORCIÓN

(NTC 77) GRANULOMETRÍA

(NTC 1776) CONTENIDO DE HUMEDAD

AGREGADO FINO

(NTC 237) DENSIDAD Y ABSORCIÓN

(NTC 77) MÓDULO DE FINURA

(NTC 1776) CONTENIDO DE HUMEDAD

CEMENTO

(NTC 221) DENSIDAD

(NTC 110) CONSISTENCIA NORMAL

POLÍMEROS(NTC 237) DENSIDAD Y

ABSORCIÓN

DISEÑO DE MEZCLA MÉTODO VOLUMÉTRICO PROPORCIONES POR TABLAS

ELABORACIÓN DE CILINDROS

CILINDROS DE CONCRETO CONVENCIONAL

CILINDROS DE CONCRETO CON 5% PET

CILINDROS DE CONCRETO CON 10% PET

CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LOS

CILINDROS

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

(NTC 550) CURADO DE CILINDROS

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM)

AGREGADO FINO Y CEMENTO

PET Y CEMENTO

RESULTADOSANÁLISIS COMPARATIVO CILINDROS DE CONCRETO CONVENCIONAOL Y CILINDROS CON PORCENTAJE PET

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La investigación plasmada en el presente documento es de tipo experimental con enfoque cuantitativo y cualitativo, basada en la información recolectada por investigaciones afines y la evaluación del estado del arte en el uso del Polietileno Tereftalato (PET), como material de construcción y como estrategia para la elaboración de materiales ambientalmente amigables y que sean de utilidad y beneficio para la sociedad.

2.1. CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LAS MATERIAS PRIMAS PARA LAS PROBETAS

La caracterización física de los materiales se realiza con el fin de dar una especificación precisa a las características de los materiales para la elaboración de la mezcla de concreto.

2.1.1. PROCEDENCIA DE LOS AGREGADOS

Los agregados utilizados para el desarrollo del presente trabajo de investigación fueron adquiridos en la planta de producción CONCRESCOL, la cual brinda materiales certificados. Esta empresa se encuentra ubicada a las afueras de Bogotá en la vía que comunica con Villavicencio (ver imagen 9). En la imagen 10 se muestra el agregado en la planta de producción, de donde fue extraído el material necesario para la elaboración de los cilindros y posteriormente transportado a las instalaciones de la Universidad Católica de Colombia para su caracterización.

Imagen 9. Ubicación planta de producción CONCRESCOL. Fuente: Google Maps.

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Imagen 10. Agregado en la planta de producción CONCRESCOL. Fuente: Autor.

2.1.2. AGREGADO GRUESO

Tamaño máximo: se toma como referencia la norma NTC 77 (ASTM C136-92) para determinar la distribución de tamaños de las partículas que componen los agregados por medio de tamizado.

Peso unitario: se toma como referencia la norma NTC 92 (ASTM C29M-91a) para determinar la masa unitaria en estado compactada o suelta y los vacíos entre partículas de agregados.

Absorción y densidad: se toma como referencia la norma NTC 176 (ASTM C127-93) para determinar la densidad y absorción del agregado grueso.

Humedad natural: se toma como referencia la norma NTC 1776 (ASTM C566-89) para determinar el porcentaje de humedad evaporable en una muestra del agregado sometida a secado.

2.1.3. AGREGADO FINO

Módulo de finura: se toma como referencia la norma NTC 77 (ASTM C136-92) para determinar la distribución de tamaños de partículas que componen los agregados por medio de tamizado.

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Humedad natural: se toma como referencia la norma NTC 1776 (ASTM C566-89) para determinar el porcentaje de humedad evaporable en una muestra del agregado sometida a secado.

Absorción y densidad: se toma como referencia la norma NTC 237 (ASTM C128-93) para determinar la densidad y absorción del agregado fino.

2.1.4. CEMENTO

Densidad: se toma como referencia la norma NTC 221 (ASTM C188-2009) para determinar la densidad del cemento hidráulico.

Consistencia normal: se toma como referencia la norma NTC 110 (ASTM C187-86) para determinar la consistencia normal del cemento hidráulico.

2.1.5. POLÍMEROS

Absorción y densidad: se toma como referencia la norma NTC 237 (ASTM International, 2013) para determinar la densidad y absorción del polímero como agregado fino.

2.2. DISEÑO DE MEZCLA

El diseño de mezcla se realiza por medio del método volumétrico teniendo en cuenta la caracterización física realizada previamente a los materiales utilizados para el desarrollo del presente trabajo.

2.2.1. CURVA DE RESISTENCIA RELACIONES AGUA – CEMENTO

En la imagen 11 se expone la curva de resistencia según la relación agua-cemento, en donde se identifica que la resistencia obtenida a los 28 días de curado el concreto es inversamente proporcional a la relación existente entre agua-cemento de la mezcla.

47

Imagen 11. Curva de resistencia relaciones agua - cemento de las mezclas. (Abril & Ramos, 2017).

2.2.2. VALORES APROXIMADOS DEL PORCENTAJE DE AGREGADO FINO Y LA CANTIDAD DE AGUA POR M3 DE CONCRETO

En la tabla 19 se expone el porcentaje de agregado fino según el volumen de concreto por metro cúbico, y la cantidad de agua necesaria para este volumen según el porcentaje de agregado.

48

Tabla 19. Valores aproximados en porcentaje del agregado fino y la cantidad de agua por

𝐌𝟑de concreto. (Abril & Ramos, 2017).

2.3. ELABORACIÓN DE LAS PROBETAS

Una vez elaborado el diseño de mezcla en donde se ha determinado las proporciones de cada material dado que estos conformarán el concreto a estudiar, se debe asegurar las mismas condiciones de mezclado del material con la finalidad de generar mezclas con cantidades exactas y así hacer posible la comparación entre los cilindros.

Además, se llevarán a cabo 3 mezclas en el orden descrito a continuación: en primer lugar, se hace la mezcla correspondiente a la muestra de control con un diseño estándar de 2100 PSI la cual está conformada por concreto simple, en segundo orden se mezcla el material para los cilindros con 5% de PET y finalmente se hace la mezcla para los cilindros con 10% de PET, teniendo en cuenta que los porcentajes de PET son incluidos sustituyendo dicho porcentaje de agregado fino por el material PET. Antes de la elaboración de los cilindros se prepara los moldes en los cuales se da el fraguado del concreto para que este se despegue con facilidad al ser desencofrado, de igual forma es importante que una vez desencofrados los cilindros estos seas llevados al tanque de agua durante 28 días para que sean correctamente hidratados.

49

2.3.1. ASENTAMIENTO

Se toma como referencia la norma NTC 396 (ASTM C143-90) para determinar el asentamiento del concreto.

2.3.2. ELABORACIÓN Y CURADO

Se toma como referencia la norma NTC 550 (ASTM C31) para determinar el adecuado procedimiento para la elaboración y curado de especímenes de concreto.

2.4. CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LAS PROBETAS

Se toma como referencia la norma NTC 550 (ASTM C31) para determinar el adecuado procedimiento para el curado y el ensayo de la resistencia mecánica a la compresión.

2.5. MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM)

Para la realización de la microscopía electrónica de barrido fue necesario someter la muestra a una previa preparación. La preparación consiste en lijar la superficie de la muestra para obtener una imagen detallada de los materiales que la componen y cómo estos están ligados entre sí. Una vez lijada se retiran los excesos del material lijado y se hace un recubrimiento con oro para revestir la muestra y proceder a realizar la microscopía electrónica de barrido.

50

3. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

En el capítulo 3 se presentan los resultados obtenidos de la caracterización física de los materiales, el diseño de mezcla elaborado a partir la caracterización física obtenida y la caracterización mecánica de las probetas, y el análisis de las muestras mediante la microscopía electrónica de barrido.

3.1. CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LAS MATERIAS PRIMAS PARA LA FABRICACIÓN DE LAS PROBETAS

La caracterización de los materiales se llevó a cabo en los laboratorios de la Universidad Católica de Colombia, tomando como guía los parámetros especificados en la Norma Técnica Colombiana (NTC). A continuación, se dan a conocer los resultados obtenidos, el paso a paso del procedimiento puede encontrarse en los anexos del presente trabajo de investigación.

3.1.1. AGREGADO GRUESO

Absorción y densidad: La densidad de los agregados gruesos es una de sus principales cualidades porque influye en la resistencia del concreto elaborado con ellos. La densidad de este tipo de material debe oscilar entre 2.4 g/cm3 y 2.8 g/cm3 (Rivera, 2013), el resultado de los ensayos realizados en el presente trabajo de investigación arrojó una densidad de 2.62 g/cm3, es decir que se encuentra dentro del rango, indicando que cuenta con propiedades favorables que se mantienen desde su lugar de origen. En la tabla 20 se identifican los resultados obtenidos para densidad y absorción, y en la imagen 12 se observa el material preparado para el ensayo y la realización del ensayo (para ver procedimiento completo ir a Anexo 1).

Tabla 20. Densidad y absorción agregado grueso. Fuente: Autor.

AGREGADO GRUESO RESULTADOS

Peso de la muestra saturada y superficialmente seca

Peso de la muestra sumergida en agua

Peso de la muestra secada al horno

Densidad aparente (Bulk)

Densidad (Saturada y superficialmente seca)

Densidad nominal

Absorción

51

Imagen 12. Preparación de la muestra y realización del ensayo de absorción y densidad de agregados gruesos. Fuente: Autor.

Granulometría: respecto a la granulometría se pudo observar que el material cuenta en general con un comportamiento proporcional, identificándose un tamaño máximo de ¾”, también mostrando proporciones que podrían llenar los vacíos de la mezcla de concreto, mejorando la resistencia de este (ver tabla 21 e imagen 13).

Tabla 21. Granulometría del agregado grueso. Fuente: Autor.

TAMIZ PESO RETENIDO (g) % RETENIDO % RETENIDO ACUMULADO % QUE PASA

1" 0 0 0 100

3/4" 680,16 17,004 17,004 82,996

1/2" 1003,35 25,08375 42,08775 57,91225

3/8" 215,32 5,383 47,47075 52,52925

4 82,17 2,05425 49,525 50,475

10 216,26 5,4065 54,9315 45,0685

40 957,53 23,93825 78,86975 21,13025

80 558,56 13,964 92,83375 7,16625

200 76,76 1,919 94,75275 5,24725

Filler 7,47 0,18675 100 0

DATOS DE GRANULOMETRÍA

52

Imagen 13. Curva de granulometría. Fuente: Autor.

Contenido de humedad: Se evidenció un valor menor del 1% de contenido de humedad natural, siendo este un valor pequeño del contenido de agua del agregado, un factor que puede explicar este resultado es la posible extracción del material en temporadas de temperaturas elevadas (ver tabla 22).

Tabla 22. Contenido de humedad natural agregado grueso. Fuente: Autor.

3.1.2. AGREGADO FINO

Absorción y densidad: el agregado fino presenta una densidad aparente (bulk) de 2.11 g/cm3, siendo este tipo de agregado de gran utilidad para llenar los vacíos presentados en la mezcla de concreto debido a que, en comparación con el agregado grueso, este tipo de agregado al ser compactado tendría una menor cantidad de vacíos. En la tabla 23 se identifican los resultados obtenidos para densidad y absorción, en la imagen 14 se muestra parte de procedimiento de este ensayo (para ver procedimiento completo ir a Anexo 2).

AGREGADO GRUESO RESULTADO

Humedad natural

53

Tabla 23. Densidad y absorción de agregados finos. Fuente: Autor.

Imagen 14. Cono de Abrams y picnómetro con material. Fuente: Autor.

Módulo de finura: la granulometría para la mezcla de concreto corresponde a la del agregado grueso. En la tabla 24 de muestran los resultados obtenidos para la granulometría y con estos datos se haya el módulo de finura.

Tabla 24. Módulo de finura. Fuente: Autor.

El módulo de finura obtenido para la granulometría expuesta anteriormente, es de 2,42 lo cual indica que se encuentra dentro del rango el cual oscila entre 2.3 y 3.1 (IMCYC, A.C., 1983), indicando que el módulo de finura resultante para la granulometría indicada es favorable para el diseño de la mezcla.

𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑛𝑢𝑟𝑎

AGREGADO FINO RESULTADOS

Densidad aparente (Bulk)

Densidad (Saturada y superficialmente seca)

Densidad nominal

Absorción

TAMIZ PESO RETENIDO (g) % RETENIDO % RETENIDO ACUMULADO % QUE PASA

3/4" 0 0 0 100

3/8" 215,32 5,383 47,47075 52,52925

4 82,17 2,05425 49,525 50,475

8 216,26 5,4065 54,9315 45,0685

16 957,53 23,93825 78,86975 21,13025

50 558,56 13,964 92,83375 7,16625

100 76,76 1,919 94,75275 5,24725

54

Contenido de humedad: Se evidenció un valor mayor al 1% de contenido de humedad natural, siendo este un valor un poco mayor al hallado en el agregado grueso pero el aumento no es significativo, la cercanía de estos valores pueden explicarse a que los agregados fueron adquiridos en la misma zona a las afueras de Bogotá, en la tabla 25 se expone el resultado obtenido para el contenido de humedad natural en el agregado fino.

Tabla 25. Contenido de humedad natural agregado fino. Fuente: Autor.

3.1.3. CEMENTO

Se seleccionó el cemento ARGOS para la realización de las probetas debido a que este tipo de cemento es uno de los más reconocidos y utilizados para la construcción de obras a nivel nacional, por tal motivo se identifican las características requeridas para llevar a cabo el diseño de mezcla con el cual serán hechas las probetas.

Densidad:

𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 9

3.1.4. PET

Para el desarrollo de la presente investigación se tomó PET reciclado de botellas de PET molidas, las escamas obtenidas de la molienda cuentan con valores granulométricos correspondientes a agregado fino. En la tabla 26 se expone el resultado obtenido del ensayo realizado para conocer la densidad y absorción del PET, y parte del procedimiento del mismo (ver imagen 15) (para ver procedimiento completo ir a Anexo 3).

Tabla 26. Densidad y absorción PET. Fuente: Autor.

AGREGADO FINO RESULTADO

Humedad natural

55

Imagen 15. Procedimiento ensayo de densidad y absorción del PET. Fuente: Autor.

3.2. DISEÑO DE MEZCLA

Para realizar el diseño de mezcla es necesario conocer las características físicas de las materias primas, en la tabla 27 se exponen los datos requeridos para el diseño de mezcla.

Tabla 27. Datos requeridos para el diseño de mezcla. Fuente: Autor.

Cilindros convencionales: el diseño de mezcla para los 10 cilindros convencionales se expone en tabla 28.

Tabla 28. Diseño de mezcla para cilindros convencionales. Fuente: Autor.

Cilindros con 5% PET: el diseño de mezcla para los 10 cilindros con 5% de PET expone en la tabla 29.

Densidad del cemento 2,968 g/m3

Módulo de finura de la arena 2,384

Densidad de la arena 2,08 g/m3

Absorción de la arena 1,55%

Densidad de la grava 2,62 g/m3

Tamaño máximo de la grava 3/4"

Absorción de la grava 0,74%

DATOS REQUERIDOS

Cemento 6,3 Kg

Agua 4,1 L

Arena 13,86 Kg

Grava 20,50 Kg

DISEÑO DE MEZCLA

56

Tabla 29. Diseño de mezcla para cilindros con 5% PET. Fuente: Autor.

Cilindros con 10% PET: el diseño de mezcla para los 10 cilindros con 10% de PET se expone en la tabla 30.

Tabla 30. Diseño de mezcla para cilindros con 10% PET. Fuente: Autor.

3.3. ELABORACIÓN DE LOS CILINDROS

Para la elaboración de los cilindros se toma el agregado grueso, el agregado fino y el cemento y se mezclan hasta lograr una mezcla uniforme, seguido a esto se añade el agua y se mezcla continuamente todos los materiales (para ver procedimiento completo ir a Anexo 4). En el caso de los cilindros con porcentaje de PET, se mezcla el polietileno en conjunto con el cemento y los agregados, después se añade el agua y se mezcla hasta conseguir la mezcla homogénea (para ver procedimiento completo ir a Anexo 5). A continuación, se muestra el proceso de elaboración de los cilindros convencionales, los cilindros con 5% PET y los cilindros con 10% PET

Cilindros de concreto convencional:

Imagen 16. Elaboración cilindros convencionales. Fuente: Autor.

Cemento 6,41 Kg

Agua 3,76 L

Arena 11,50 Kg

Grava 21,75 Kg

DISEÑO DE MEZCLA

Cemento 6,53 Kg

Agua 3,50 L

Arena 10,86 Kg

Grava 22,58 Kg

DISEÑO DE MEZCLA

57

Una vez obtenida la mezcla se realiza el ensayo de Abrahams para verificar el asentamiento de la mezcla, este asentamiento debe ser de aproximadamente 3 cm, en la imagen 17 se muestra la verificación realizada para la mezcla de los cilindros convencionales

Imagen 17. Verificación asentamiento mezcla cilindros convencionales. Fuente: Autor.

Después de verificado el asentamiento se procede a la fundición de los cilindros en los moldes previamente lubricados. Después de 24 horas de realizar el desencofrado de los cilindros y posteriormente se colocan en una piscina de agua para su adecuada hidratación (ver imagen 18).

Imagen 18. Elaboración y curado de cilindros convencionales. Fuente: Autor.

Cilindros de concreto con 5% PET: para estos cilindros se llevó a cabo el mismo procedimiento realizado para los cilindros convencionales.

58

Imagen 19. Elaboración de cilindros con 5% PET. Fuente: Autor.

Imagen 20. Elaboración y curado cilindros con 5% PET. Fuente: Autor.

Cilindros de concreto con 10% PET: para los cilindros con 10 % de PET se llevó a cabo el mismo procedimiento realizado para los cilindros convencionales.

Imagen 21. Elaboración de cilindros con 10% PET. Fuente: Autor.

59

Imagen 22. Elaboración y curado de cilindros con 10% PET. Fuente: Autor.

3.4. CARACTERIZACIÒN MECÀNICA DE LAS PROBETAS

Tal como se indicó en la metodología, se realizan ensayos de resistencia a la compresión de 9 cilindros de concreto convencional, 9 cilindros de concreto con 5% PET y 9 cilindros con 10% PET. Se realiza la falla de 3 cilindros a los 7 días, 3 a los 14 días y 3 a los 28 días, para los cilindros convencionales y los que contienen porcentaje de PET (ver anexo 6). A continuación, se muestran los valores promedios obtenidos para las resistencias de las probetas, en la imagen 23 se muestra la resistencia obtenida para los cilindros de concreto convencional, en la imagen 24 se muestra la resistencia obtenida para los cilindros de concreto con 5% PET y en la imagen 25 se muestra la resistencia correspondiente para los cilindros con 10% PET.

Imagen 23. Resistencia a la compresión promedio de los cilindros de concreto convencional. Fuente: Autor.

Tiempo Peso Diametro Altura Resistencia Esfuerzo

(Dìa) (Kg) (cm) (cm) (Kgf) (Psi)

7 3,89 10,19 20,34 12733,33 1561,36

14 3,87 10,11 20,29 16666,67 2074,77

28 3,89 10,29 691,60 17766,67 2137,80

RESISTENCIAS DE CILINDROS DE CONCRETO CONVENCIONAL

60

Imagen 24. Resistencia a la compresión promedio de los cilindros de concreto con 5% PET. Fuente: Autor.

Imagen 25. Resistencia a la compresión promedio de los cilindros de concreto con 10% PET. Fuente: Autor.

Según los datos expuestos anteriormente se evidencia que los cilindros de concreto convencional cumplen con la resistencia mínima requerida para el uso en bordillos viales la cual es de 2100 Psi, así mismo los cilindros de concreto con 5% PET a sus 28 días de fraguado cuentan con una resistencia a la compresión de 2107 Psi lo cual está sobre el rango de la resistencia para su uso en bordillos viales. Por otra parte, los cilindros de concreto con 10% PET no cumplen con la resistencia mínima requerida debido a que a sus 28 días se obtuvo una resistencia de 1508 Psi, la cual está lejos de los 2100 Psi.

En la imagen 26 se identifica la relación de la resistencia a la compresion y los tiempos de fraguado, obtenida por los cilindros de concreto convencional, los cilindros de concreto con 5% PET y los cilindros de concreto con 10% PET; en el caso de los cilindros de concreto convencional y los cilindros con 5% PET se distingue un comportamiento similar en cuanto a la resistencia obtenida a los 28 dias de fraguado, mientras que el presentado por los cilindros de concreto con 10% PET muestra una resistencia menor en comparacion con el comportamiento presentado en los otros dos casos.



7 3,79 10,11 20,42 9233,33 1150,94

14 3,74 10,11 20,26 15433,33 1921,24

28 3,75 10,16 20,30 17100,00 2107,82

RESISTENCIAS DE CILINDROS DE CONCRETO CON 5% PET



7 3,78 10,10 20,21 7200,00 898,67

14 3,73 10,23 20,55 10900,00 1326,13

28 3,75 10,15 20,50 12200,00 1508,77

RESISTENCIAS DE CILINDROS DE CONCRETO CON 10% PET

61

Imagen 26. Relación de esfuerzos Vs tiempo de fraguado de los cilindros convencionales y cilindros con porcentaje PET. Fuente: Autor.

3.5. MICROSCOPÍA EECTRÓNICA DE BARRIDO

Para realizar el ensayo SEM fue necesario hacer una preparación previa a las muestras lijando, limpiando y secando, con el fin de obtener una superficie lisa y libre de impurezas que pudieran afectar la visualización microscópica de la superficie. Las muestras preparadas para el ensayo SEM fueron partículas circulares tomadas del centro de los cilindros de concreto convencional, concreto con 5% PET y concreto con 10% PET. Las imágenes SEM presentadas a continuación fueron tomadas en las instalaciones del laboratorio de Microscopía Electrónica de Barrido ubicadas en la Universidad de los Andes.

En la imagen 27 se identifica la muestra de concreto convencional microestructuralmente, en donde se observa el material cementante el cual se visualiza de un color más claro que el del agregado el cual se encuentra en un tono más oscuro, además es posible ver la buena adherencia existente entre los materiales debido a que no se observa una línea divisoria entre estos que pudiese indicar una desfavorable adherencia entre sí.

62

Imagen 27. Imagen SEM concreto convencional con magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

Así como en la muestra de concreto convencional, en la imagen 28 se visualiza la adherencia favorable del agregado fino y el cemento en la muestra de concreto con 5% PET, identificando el cemento con un color más claro que el del agregado fino. En la imagen 29 se observa la adherencia entre el PET y el cemento la cual también es favorable ya que no se encuentran líneas indicadoras de una desfavorable adherencia entre sí, siendo visualizado el PET como manchas circulares de color oscuro.

Imagen 28. Imagen SEM limite agregado fino y cemento muestra con 5% PET, magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

63

Imagen 29. Imagen SEM limite PET y cemento muestra con 5% PET, magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

De igual manera, en el cilindro de concreto con 10% PET se evidencia una buena adherencia entre el material cementante y el agregado fino lo cual se puede ver en la imagen 30. Asi mismo, se presenta un comportamiento favorable en cuanto a la adherencia que tiene el PET con el cemento como se puede observar en la imagen 31.

Imagen 30. Imagen SEM limite agregado fino y cemento muestra con 10% PET, magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

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Imagen 31. Imagen SEM limite PET y cemento muestra con 10% PET, magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

Además de identificar los límites entre los materiales y la adherencia entre estos, fue posible identificar la forma de los agregados dando con esto una descripción del comportamiento adherente presentado entre los materiales, debido a que al contar con agregados de forma angular se presenta un comportamiento favorable ante la resistencia a la compresión ya que los agregados con este tipo de forma facilitan la adherencia entre los materiales que componen el concreto. En la imagen 32 se visualiza la forma de los agregados de la muestra de concreto convencional y como estos se caracterizan por una tener una forma angular, en la imagen 33 se identifica la muestra de concreto con 5% PET y de igual manera los agregados cuentan con formas angulares, así mismo en la imagen 34 se puede observar que el concreto con 10% PET presenta las mismas características físicas en la forma de los agregados presentados en las muestras anteriores.

65

Imagen 32. Imagen SEM muestra de concreto convencional con agregados de forma

angular, magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

Imagen 33. Imagen SEM muestra de concreto con 5% PET con agregados de forma angular, magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

66

Imagen 34. Imagen SEM muestra de concreto con 10% PET con agregados de forma angular, magnificación X30. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

A continuación, se presenta el análisis químico correspondiente a la muestra de concreto convencional, en donde es posible identificar los componentes químicos de la muestra a partir de la ubicación de cada material dentro de la misma. En la imagen 35 se visualiza la imagen SEM utilizada para el análisis químico el cual se presenta en la imagen 36.


convencional. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

67

En la imagen presentada a continuacion es posible identificar cómo el calcio y la sílice son los dos elementos químicos junto con el oxígeno con mayor presencia en la muestra, esto se debe a que la mezcla está compuesta por agregados y cemento, los cuales son caracteristicos por su gran contenido de silice y calcio respectivamente. La presencia de los elementos en mencion son esenciales en el concreto, debido a que la mezcla y union de estos proporcionan la resistencia ante las cargas externas a las que puede ser sometido.

Imagen 36. Imagen SEM para el análisis químico de la muestra de concreto convencional. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

68

En la tabla 31 se exponen los valores porcentuales correspondientes para el contenido de cada elemento químico dentro de la muestra de concreto convencional. El elemento químico con más presencia en la muestra es el oxígeno (O) con un porcentaje de 43.30%, seguido por la sílice (Si) en un 18.40% y el calcio (Ca) en un 13.42%.

Tabla 31. Contenido de los elementos químicos presentes en la muestra de concreto convencional. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

En la imagen 37 se observa la imagen SEM tomada para el análisis químico correspondiente a la muestra de concreto con 5% PET la cual se presenta a continuación.

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Imagen 37. Imagen SEM utilizada para el análisis químico de la muestra de concreto con 5% PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

Para la muestra de concreto con 5% PET fue posible identificar los cuatro elementos químicos con más presencia, los cuales son: oxígeno (O), sílice (Si), calcio (Ca) y carbono (C). Los primeros tres elementos químicos contenidos son propios de la mezcla entre el agregado y el cemento, mientras que el carbono se caracteriza por estar presente en materiales plásticos como lo es el PET. La unión de dichos elementos para la elaboración de cilindros de concreto con agregado PET, dan la resistencia a la compresión necesaria para soportar las cargas externas a las que está sometido el bordillo vial. En la imagen 38 se logra observar la presencia de los cuatro elementos en mención.

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Imagen 38. Imagen SEM para el análisis químico de la muestra de concreto con 5% PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

En la tabla 32 se exponen los valores porcentuales correspondientes de los elementos químicos contenidos en la muestra de concreto con 5% PET. El elemento químico con mayor contenido dentro de la muestra es el oxígeno (O) con un 42.40%, seguido por la sílice (Si) con un 18.63%, el carbono (C) con un 16.18% y finalmente el calcio (Ca) con un 9.14%. La disminución en cuanto al porcentaje del calcio presente en esta muestra en comparación con la muestra de concreto convencional, se debe a la sustitución de agregado fino por PET y por esto mismo, aumenta el valor porcentual de carbono.

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Tabla 32. Contenido de los elementos químicos presentes en la muestra de concreto con 5% PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

Para el análisis químico de la muestra de concreto con 10% PET se toma la imagen SEM mostrada en la imagen 39.

Imagen 39. Imagen SEM utilizada para el análisis químico de la muestra de concreto con 10% PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

72

En la imagen 40 es posible identificar que los elementos químicos con más presencia en la muestra de concreto con 10% PET fueron: oxígeno (O), sílice (Si), calcio (Ca) y carbono (C). Como se ha mencionado con anterioridad, los tres primeros elementos químicos corresponden a la mezcla entre el agregado y el cemento, y el carbono es un elemento que corresponde a la composición del PET. Además, se logra visualizar el aumento de la presencia de carbono en comparación con la muestra de concreto con 5% PET. Los elementos químicos presentes en la muestra como el oxígeno, el calcio y la sílice son esenciales para resistir la compresión aplicada a los cilindros con 10% PET sometidos en el presente trabajo, pero se evidencia que en la muestra con 10% PET se obtuvo una menor resistencia a la compresión debido al aumento porcentual de PET, por lo cual se logra evidenciar en el análisis químico expuesto a continuación el aumento de carbono en la muestra.

Imagen 40. Imagen SEM para el análisis químico de la muestra de concreto con 10% PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

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En la tabla 33 se exponen los valores porcentuales correspondientes a la muestra de concreto con 10% PET, en donde se logra identificar que el elemento químico con mayor presencia es el oxígeno (O) con un 40.84%, seguido por la sílice con un 21.36%, el carbono (C) con un 19.46% y finalmente el calcio (Ca) con un 8.70%. Según los datos ya mencionados, se puede observar que la presencia de carbono aumentó en un 16.82% en comparación con la muestra de concreto con 5% PET. Por lo cual, es importante resaltar que a medida que el contenido porcentual de PET aumenta en la muestra, así mismo se observa el aumento de presencia de carbono dentro de la misma.

Tabla 33. Contenido de los elementos químicos presentes en la muestra de concreto con 10% PET. Fuente: SEM Universidad de los Andes.

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CONCLUSIONES

Mediante el trabajo expuesto anteriormente se concluye que la importancia en el desarrollo y por tanto en la investigación de nuevos materiales que contribuyan al mejoramiento de los materiales convencionales utilizados en la actualidad para obras civiles debe enfocarse principalmente a que este cumpla su funcionalidad, que sea más durable y que contribuya en la mitigación del impacto ambiental. Tal es el caso que se expuso anteriormente para los bordillos utilizados en vías, en los cuales se utiliza un material que causa acumulación y bajo índice de reutilización como lo es concreto hidráulico simple, por lo cual se presenta un posible uso al polietileno tereftalato para dar manejo a los residuos plásticos, agregándose al material convencional para los bordillos viales.

Debido a su gran resistencia a la compresión el concreto es sumamente beneficioso para este tipo de elemento vial, por lo tanto, al combinar este material con un material contaminante como lo es el PET se puede reducir su impacto ambiental aprovechando ambos materiales para la construcción de los bordillos viales. Debido a esto, se evalúa como se afecta los valores de la resistencia a la compresión al ir sustituyendo el PET por agregado fino, en donde se observó que la resistencia de los cilindros con 5% PET se redujo en 1.40% en comparación con los cilindros de concreto convencional pero sin embargo cumplen con la resistencia mínima requerida para su uso en bordillo vial, por otro lado, se identificó que en los cilindros de concreto con 10% PET se redujo la resistencia en un 29,42% en comparación con los cilindros de concreto convencional y además de esto, no cumplen con la resistencia mínima requerida. Según lo dicho anteriormente, es posible determinar que el porcentaje de PET más favorable en cuanto al beneficio que se obtiene al poder reemplazar la mayor cantidad posible de un material contaminante pétreo por un material reutilizado es de 5%. Debido a esto, se concluye que elaborar bordillos con un porcentaje de 5% de PET como agregado al concreto hidráulico simple además de no reducir su funcionalidad en cuanto a la resistencia a la compresión, presenta como ventaja su posibilidad de mejorar durante su puesta en servicio la durabilidad, la resistencia a los ataques químicos y de la intemperie gracias a las características propias del polietileno tereftalato.

En cuanto a la variación de la resistencia a la compresión obtenida por los cilindros de concreto con 10% PET, se puede concluir que dicha variación está ligada a que características propias del material como la porosidad y la absorción, son condiciones que definen el comportamiento mecánico presentado por las muestras, ya que un material como el PET utilizado en esta investigación cuenta con una porosidad baja lo cual puede disminuir la adhesión entre materiales, y además al sustituir el agregado fino en una gran proporción se da lugar al aumento de espacios vacíos y con esto la disminución en la resistencia a la compresión.

En cuanto al peso de los cilindros de concreto convencional y los cilindros con porcentaje PET, los últimos son un 3.29% más ligeros en comparación con los cilindros de concreto convencional, debido a la ligereza característica del PET. Esto

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es favorable debido a que facilita el levantamiento, transporte e instalación de los mismos.

También se logra identificar que, al analizar las muestras mediante el microscopio electrónico de barrido, las muestras de concreto con porcentaje PET no muestran un cambio aparente en cuanto a la adherencia visualizada entre PET-cemento en comparación con la adherencia entre agregado fino-cemento presentada en la muestra de concreto convencional. Además, se logró identificar que el agregado utilizado para la realización de los cilindros es favorable en cuanto a la característica de su forma, debido que al ser un agregado con forma angular facilita la adhesión entre los materiales que componen las muestras.

Finalmente se concluye que el uso del PET como material agregado en la construcción de bordillos en vías, es viable en cuanto a la resistencia a la compresión evaluada en el presente trabajo de investigación, teniendo en cuenta que no se debe exceder la sustitución del agregado fino por el PET, y que además es importante evaluar otros factores que pudiesen afectar la viabilidad del PET en este tipo de aplicación, tal como el factor económico y el comportamiento mecánico del bordillo con PET en situaciones de alta temperatura.

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RECOMENDACIONES

Se recomienda para futuras investigaciones sustituir un menor valor de agregado fino por PET con el fin de conocer la resistencia generada bajo esa condición y comparar los valores obtenidos en el presente trabajo, para identificar el valor porcentual de contenido óptimo de PET en los cilindros.

También se recomienda tener en cuenta factores de temperatura debido a que el PET cambia sus condiciones ante altas temperaturas ya que es un elemento viscoelástico, pudiéndose presentar una reducción en la resistencia de los cilindros.

Es importante tener en cuenta que el PET utilizado para la sustitución sea un material en lo mayor posible libre de impurezas, para que estas no puedan interferir en la resistencia de los cilindros.

77

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Alemania.

81

ANEXOS

1. Caracterización física agregado grueso a. Método de ensayo para determinar la densidad y absorción de los

agregados gruesos (NTC 176)

Imagen 41. Procedimiento ensayo para determinar la densidad y absorción del agregado grueso. Fuente: Autor.

𝑠 .99 ∗

𝐵 − 𝐶

Ds: Densidad aparente (g/cm3)

A: Peso de la muestra secada al horno (g).

B: Peso de la muestra superficialmente seca (g).

C: Peso de la muestra saturada (g).

𝑠 .99 ∗

. − .

𝑠 .

𝑏𝑠𝑜𝑟 𝑖𝑜𝑛 𝐵 −

∗

Absorción %: Porcentaje de absorción (%).

𝑏𝑠𝑜𝑟 𝑖𝑜𝑛 . −

∗

𝑏𝑠𝑜𝑟 𝑖𝑜𝑛 .

82

b. Método de ensayo para determinar la granulometría del agregado

Imagen 42. Procedimiento para determinar la granulometría del agregado. Fuente: Autor.

2. Caracterización física agregado fino a. Método de ensayo para determinar la densidad y absorción de los

agregados finos (NTC 237)

Imagen 43. Preparación muestra de agregado fino para caracterización física. Fuente: Autor.

Imagen 44. Medición de pesos picnómetro. Fuente: Autor.

83

Imagen 45. Procedimiento ensayo verificación estado SSS. Fuente: Autor.

Imagen 46. Procedimiento succión de vacíos y decantación muestra. Fuente: Autor.

𝑠 .99 ∗

𝐵 + 𝑆 − 𝐶

Ds: Densidad aparente (g/cm3)

A: Peso de la muestra secada al horno (g).

B: Peso del picnómetro lleno (g).

S: Peso de la muestra superficialmente seca (g).

C: Peso picnómetro + agua + material (g).

𝑠 .99 ∗ 9 .

9 . + . − 9 .

𝑠 .

𝑏𝑠𝑜𝑟 𝑖𝑜𝑛 𝑆 −

∗

Absorción %: Porcentaje de absorción (%).

84

𝑏𝑠𝑜𝑟 𝑖𝑜𝑛 . − 9 .

9 . ∗

𝑏𝑠𝑜𝑟 𝑖𝑜𝑛 .

3. Caracterización física del PET a. Método de ensayo para determinar la densidad y absorción de los

agregados (NTC 176)

Imagen 47. Procedimiento ensayo para determinar la densidad del PET. Fuente: Autor.

4. Elaboración de los cilindros de concreto convencional

Imagen 48. Procedimiento mezclado de agregados para cilindros de concreto convencional. Fuente: Autor.

85

Imagen 49. Procedimiento elaboración de cilindros de concreto convencional. Fuente: Autor.

5. Elaboración de los cilindros de concreto con PET

a. Elaboración de cilindros de concreto con 5% PET

Imagen 50. Procedimiento elaboración de cilindros de concreto con 5% PET. Fuente: Autor.

b. Elaboración de cilindros de concreto con 10% PET

Imagen 51. Procedimiento elaboración de cilindros de concreto con 10% PET. Fuente: Autor.

6. Caracterización mecánica de los cilindros

86

a. Ensayo de resistencia a compresión cilindros de concreto convencional

Imagen 52. Ensayo de resistencia a compresión cilindros de concreto convencional (7 días). Fuente: Autor.



87

b. Ensayo de resistencia a compresión cilindros de concreto con 5% PET

Imagen 55. Ensayo de resistencia a compresión cilindros de concreto con 5% PET (7 días). Fuente: Autor.


88


c. Ensayo de resistencia a compresión cilindros de concreto con 10% PET


89


Imagen 60. Ensayo de resistencia a compresión cilindros de concreto con 10% PET (28

días). Fuente: Autor.

evaluaciÓn preliminar del polietileno ......proceso para obtener pet. (muñoz pérez, 2012)..... 23...

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