Influencia del poliestireno reciclado en las características físico-mecánicas y sostenibilidad de un hormigón estructural
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Date
2021-03-19
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Volume Title
Publisher
Universidad de Cuenca
Abstract
The following degree thesis presents an option for the reuse of polystyrene through its
implementation in concrete, without losing the structural function of concrete, and allowing to
extend polystyrene’s life cycle and to reduce the high volume it occupies in garbage dumps. For
this, recycled polystyrene was implemented in concrete in various percentages (30, 60 and
100%) as a replacement for sand, in order to evaluate its physical-mechanical characteristics and
its environmental and economic sustainability, with respect to a conventional concrete.
After characterizing the natural aggregates, three standard concrete dosages (240, 270 and 300
kg/cm2
) were designed based on the ACI 211 (2001) standard: "Design of concrete mixtures",
and the three percentages of polystyrene were implemented for each dosage (30, 60 and 100%).
The physical-mechanical characteristics evaluated in concrete are: workability, density,
resistance to compression, failure planes, wear, ultrasound and heat transfer. For sustainability,
their life cycles (LCA) and their life cycles costs (LCCA) were analyzed.
Carrying out the workability test, it was verified that the settlements, for all the recycled
polystyrene percentages were found between 2 and 15 cm, the admissible range presented by
the IRAM 1534 (2004) standard: “Test of concrete consistency and preparation of specimens”.
The compressive strength test presented:
• Reduction of 12, 19 and 29% of resistance, in concrete dosing of 240 kg/cm2
, with 30,
60 and 100% of recycled polystyrene, respectively.
• Reduction of 9, 14 and 25% of resistance, in concrete dosing of 270 kg/cm2
, with 30, 60
and 100% of recycled polystyrene, respectively.
• Reduction of 8, 15 and 23% of resistance, in concrete dosing of 300 kg/cm2
, with 30, 60
and 100% of recycled polystyrene, respectively.
The failure planes analysis was performed in order to observe the distribution of the recycled
polystyrene particles in the concrete. For all the concretes, a uniform distribution of the recycled
polystyrene was observed along the failure plane, and the occupancy percentage, with 100%
replacement, was more than 80%.
The abrasion test showed an increase in wear in the concrete as its percentage of replacement
of recycled polystyrene increased, in this way:
• For the 240 kg/cm2
standard concrete, a wear of 3.3%; and for its alternatives of 30, 60
and 100% replacement, a wear of 3.4, 2.3 and 4.8%, respectively.
• For the 270 kg/cm2
standard concrete, a wear of 3.3%; and for its alternatives of 30, 60
and 100% replacement, a wear of 3.9, 4.1 and 4.2%, respectively.
• For the standard concrete of 300 kg/cm2
, a wear of 2.4%; and for its alternatives of 30,
60 and 100% replacement, a wear of 2.1, 2.6 and 4.1%, respectively.
Carrying out the heat transfer test, the benefits that the implementation of polystyrene entails
was demonstrated. The alternative concretes with 100% polystyrene presented a temperature
reduction of up to 9.7% more than that presented by the standard concrete.
Finally, the life cycle analysis showed for alternative concretes, an impact reduction of up to 21.3
and 21.9%, of CO2e/kg emissions and energy consumption, respectively, with respect to
standard concrete. When conducting an analysis with qualifying tools, such as LEED v4 and
Greenroads, it was verified that alternative concretes present a higher score regarding their sustainability. On the other hand, the life cycle cost showed an increase in the cost of up to USD
7 for 1m3 of concrete, considering that this cost increase occurs in the material acquisition stage.
Additionally, to verify whether the polystyrene concrete met the requirements to be considered
as structural concrete, based on the ACI 318s (2014) standard: "Regulatory requirements for
structural concrete", and in the compression resistance and density tests, the following optimal
percentages of implementation of recycled polystyrene in concrete were obtained:
• For the 240 kg/cm2
standard concrete, an optimum percentage of 35.5%.
• For the 270 kg/cm2
standard concrete, an optimum percentage of 86.6%.
• For the 300 kg/cm2
standard concrete, an optimum percentage of 71.9%.
Of these concretes, it has been verified that the other physical-mechanical and sustainability
characteristics are adequate, and finally, with a multicriteria analysis, it has been obtained that
the concrete with 86.6% recycled polystyrene with a dosage of 270 kg/cm2 , is the most suitable.
Resumen
El siguiente trabajo de titulación presenta una opción para la reutilización del poliestireno
mediante su implementación en el hormigón, sin perder la función estructural del hormigón, y
permitiendo alargar el ciclo de vida del poliestireno, y disminuir el alto volumen que ocupa en
los botaderos de basura. Para esto, el poliestireno reciclado fue implementado en el hormigón
en diversos porcentajes (30, 60 y 100%) como reemplazo de la arena, con el fin de evaluar y
comparar sus características físico-mecánicas, y su sostenibilidad ambiental y económica, con
respecto a un hormigón convencional.
Luego de caracterizar los agregados naturales a emplear en la mezcla, se diseñaron tres
dosificaciones de hormigón patrón (de 240, 270 y 300 kg/cm2
) en base a la normativa ACI 211
(2001): “Diseño de mezclas de hormigón”, y se implementaron los tres porcentajes de
poliestireno para cada dosificación (30, 60 y 100%). Las características físico-mecánicas
evaluadas en el hormigón fueron: la trabajabilidad, la densidad, la resistencia a la compresión,
los planos de falla, el desgaste, el ultrasonido y la transferencia de calor. Para la sostenibilidad
se analizaron sus ciclos de vida (LCA) y sus costos de ciclo de vida (LCCA).
Realizando el ensayo de trabajabilidad, se verificaron que los asentamientos, para todos los
porcentajes de poliestireno reciclado, se encontraron entre 2 y 15 cm, rango admisible
presentado por la norma IRAM 1534 (2004): “Ensayo de consistencia de hormigón y confección
de probetas”.
El ensayo de resistencia a la compresión presentó:
• Reducción del 12, 19 y 29% de resistencia, en los hormigones de dosificación de 240
kg/cm2
, con 30, 60 y 100% de poliestireno reciclado, respectivamente.
• Reducción de 9, 14 y 25% de resistencia, en los hormigones de dosificación de 270
kg/cm2 , con 30, 60 y 100% de poliestireno reciclado, respectivamente.
• Reducción de 8, 15 y 23% de resistencia, en los hormigones de dosificación de 300
kg/cm2 con 30, 60 y 100% de poliestireno reciclado, respectivamente.
Se realizó el análisis de planos de falla con el objetivo de observar la distribución de las partículas
de poliestireno reciclado en el hormigón. Para todos los hormigonesse observó una distribución
uniforme del poliestireno reciclado a lo largo del plano de falla y, el porcentaje de ocupación,
con el 100% de reemplazo, fue de más del 80%.
El ensayo de abrasión presentó un aumento de desgaste en los hormigones conforme
incrementaba su porcentaje de reemplazo de poliestireno reciclado, de esta manera:
• Para el hormigón patrón de 240 kg/cm2
, un desgaste de 3.3%; y para sus alternativos
de 30%, 60% y 100% de reemplazo, un desgaste de 3.4, 2.3 y 4.8%, respectivamente.
• Para el hormigón patrón de 270 kg/cm2
, un desgaste de 3.3%; y para sus alternativos de 30%, 60% y 100% de reemplazo, un desgaste de 3.9, 4.1 y 4.2%, respectivamente.
• Para el hormigón patrón de 300 kg/cm2 , un desgaste de 2.4%; y para sus alternativos
de 30%, 60% y 100% de reemplazo, un desgaste de 2.1, 2.6 y 4.1%, respectivamente.
Realizando el ensayo de transferencia de calor, se demostró los beneficios que la implementación del poliestireno conlleva. Los hormigones alternativos con 100% de poliestireno, presentaron una reducción de temperatura de hasta un 9.7% más que la presentada por los hormigones patrón.
Por último, el análisis de ciclo de vida presentó para los hormigones alternativos, una reducción
del impacto de hasta el 21.3 y 21.9%, de las emisiones de CO2e/kg y del consumo de energía,
respectivamente, con respecto al hormigón patrón. Al realizar un análisis con herramientas
calificadoras, como son LEED v4 y Greenroads, se verificó que los hormigones alternativos
presentan una puntuación mayor con respecto a su sostenibilidad. Por otra parte, el costo de
ciclo de vida mostró un aumento en el costo de hasta USD 7 para 1m3 de hormigón alternativo,
con respecto al hormigón patrón, considerando que este incremento de costo ocurre en la etapa
de adquisición del material.
Adicionalmente, para verificar si el hormigón con poliestireno cumplía con los requisitos para
ser considerado como hormigón estructural, en base a la normativa ACI 318s (2014): “Requisitos
de reglamento para concreto estructural”, y en los ensayos de resistencia a la compresión y de
densidad, se obtuvieron los siguientes porcentajes óptimos de implementación de poliestireno
reciclado en el hormigón:
• Para el hormigón patrón de 240 kg/cm2
, un porcentaje óptimo del 35.5%.
• Para el hormigón patrón de 270 kg/cm2
, un porcentaje óptimo del 86.6%.
• Para el hormigón patrón de 300 kg/cm2
, un porcentaje óptimo del 71.9%
De estos hormigones, se han verificado que las demás características físico-mecánicas y de
sostenibilidad sean adecuados, y finalmente, mediante un análisis multicriterio, se ha obtenido
que el hormigón con un 86.6% de poliestireno reciclado de dosificación de 270 kg/cm2 , es el más adecuado.
Keywords
Ingeniería Civil, Poliestireno, Sostenibilidad, Resistencia, Transferencia de calor
Citation
Código de tesis
Código de tesis
TI;1228