Ricardo Serpell - Investigacion e Innovacion

Ricardo Serpell
Investigación e Innovación

Grupo de Investigación:
Ingeniería y Tecnología del Hormigón (ETC)
Departamento de Ingeniería y Gestión de la Construcción
Escuela de Ingeniería

…
Patente del cemento Portland ( Aspdin, 1824 )

2013
… material más producido en el mundo
3.600
millones de toneladas
de cemento Portland
( USGS, 2013 )
4.500
TWh
> 50 veces la demanda
de energía en Chile
15.000
millones de m 3
de hormigón
~ 5%
emisiones de CO 2
antropogénicas
> 15 cerros San Cristóbal
> 2 m 3 per cápita
=

resistente
versátil
diseñado a medida
moldeable
disponible
simple
incombustible
inorgánico
insoluble
durable
reciclable
House. Rachel Whiteread, 1993

un material que evoluciona y se adapta
mediante la investigación e innovación

Investigación e innovación
Problemas recurrentes
Problemas nuevos
alto grado de control sobre las prestaciones, pero
los resultados no siempre son satisfactorios
nuevos requerimientos de la industria y la sociedad
nuevo contexto, nuevo énfasis, nuevas prioridades

s. XIX
materiales
procedimientos
s. XX
formas
propiedades
durabilidad
s. XXI
medio ambiente
Frank Lloyd Wright en una prueba de la columna
lilypad para el Johnson Wax Building, 1930
( Archivo Oak Clearing Farm and Museum )

Impacto ambiental del hormigón
consumo de recursos naturales
impacto directo
consumo de energía
emisiones
desechos de construcción y demolición
impacto indirecto
comportamiento energético
de la edificación e infraestructura

Investigación y hormigón sustentable
consumo de recursos naturales
consumo de energía
emisiones
desechos de construcción y demolición
mayor eficiencia y durabilidad
materiales
y procesos
uso de materiales alternativos
reciclaje

Investigación y hormigón sustentable
mayor eficiencia y durabilidad
materiales
y procesos
uso de materiales alternativos
reciclaje
soluciones
constructivas
soluciones integrales y
enfoque interdisciplinario
comportamiento energético
de la edificación e infraestructura

Investigación e Innovación
mayor eficiencia y durabilidad
materiales
y procesos
uso de materiales alternativos
reciclaje
soluciones
constructivas
soluciones integrales y
enfoque interdisciplinario
tecnologías
hormigón arquitectónico
y manufactura digital

Investigación en materiales y procesos

carbonatación
corrosión
Durabilidad y agrietamiento
El agrietamiento facilita el acceso de agentes de deterioro
humedad, oxígeno, cloruros corrosión y agrietamiento corrosión extendida
CO 2 se disuelve en agua
y forma ácido carbónico
O
C
CO 2
+
O
H 2 O
O
ácido carbónico + hidróxido de calcio = carbonato de calcio y agua
H +
OH - O
O
O
O H 2 O
CO
2-
3 Ca
C
Ca 2+
C
O O
O O
O
H + OH
O
-
CaCO 3
H 2 O
capta CO 2 de la atmósfera
H 2 CO 3
en solución
Ca(OH) 2
en solución
pero reduce el pH del hormigón

Durabilidad y auto-sanado biológico de grietas
La precipitación de carbonato de calcio
(CaCO 3 ) sella grietas en hormigones
Bacterias incorporadas en
la mezcla pueden promover
la precipitación de CaCO 3
Ca 2+
Ca 2+
Ca 2+
Ca 2+
fuente externa
iones de Calcio
- - - -
- - - -
Peptidoglicano
CO 2
membrana
citoplasmática
metabolismo
CO 2
citoplasma

Durabilidad y auto-sanado biológico de grietas
1 mm Inicio 15 días
Inicio
15 días
Bacillus pseudofirmus
Auto-sellado de grietas por precipitación bacteriana de CaCO 3 (Tesis: Claudia Stuckrath, 2013)

Durabilidad y agrietamiento térmico
ambiente
núcleo
Industria de la construcción demanda
acelerar los procesos de construcción
mezclas de alta resistencia inicial
alto calor de hidratación
alto potencial de agrietamiento térmico
baja durabilidad potencial
1. gradientes de temperatura
(interior – superficie)
2. ∆ coeficiente de expansión térmica
de materiales constituyentes
ΔL
Temperatura
agregado
pasta

Durabilidad y agrietamiento térmico
Objetivos Identificar los factores que inducen agrietamiento térmico temprano
Determinar los efectos de estos factores sobre el agrietamiento
Proponer medidas para prevenir y controlar el agrietamiento
microfotografías ópticas de fluorescencia: agrietamiento térmico de interfases (IPre: Franco Zunino, 2013)

Espesor de muro envolvente (cm)
Comportamiento térmico del hormigón
70
60
Chile: zona térmica 3
59
50
40
30
20
10
15
18
26
0
0,42 0,50 0,80 1,63
Conductividad térmica del material (W/mK)
Consumo energético
residencial por uso (EEUU)
( DOE, 2012 )
Espesor de hormigón requerido
( Tesis: José Carlos Remesar, 2013 )

Eficiencia térmica + resistencia mecánica
La conductividad térmica del hormigón
depende principalmente de su densidad
Hormigón con agregado liviano
( Tesis: José Carlos Remesar, 2013 )
Pero: hormigones livianos logran resistencias (mucho) menores

Eficiencia térmica + resistencia mecánica
¿Es posible lograr hormigones livianos
con resistencias apropiadas para la
vivienda y edificación de baja altura?
Thermedia TM , Lafarge
0,6 W/m°K y 25 MPa
¿Cuál es el efecto de estos materiales alternativos en la conductividad?
• agregados livianos no convencionales
• arenas livianas
• fibras estructurales
• materiales cementicios suplementarios

Materiales alternativos (sustituciones)
- Optimizar el uso de cemento Portland
- Utilizar subproductos de otras industrias
Cemento Portland: C 3 S + H = C-S-H + CH
silicato tri-cálcico agua silicatos de
calcio hidratados
hidróxido
de calcio
Exceso de Calcio
Puzolanas:
CH + S = C-S-H
hidróxido
de calcio
Puzolana
(Sílice)
silicatos de
calcio hidratados
C-S-H adicional
ceniza volante (fly ash) metakaolín micro-sílice

Materiales alternativos (sustituciones)
NCh 148 Of.68
Cemento Portland
Puzolana
Cemento Portland Puzolánico ≧ 70 % ≦ 30 %
Cemento Puzolánico 50 – 70 % 30 – 50 %

High Volume Fly Ash (HVFA) concrete
Hormigón con alto contenido de cenizas volantes (puzolana artificial)
Son un residuo de la generación termoeléctrica (en Chile son descartadas)
Hormigón convencional
cemento
Hormigón HVFA
cemento
ceniza
volante
15 %
agregado
agua
agregado
agua
Hasta 80% de reemplazo de cemento
Baja resistencia inicial, alta resistencia final

Massive Volume Fly Ash (MVFA) concrete
Reemplazo de cemento y uso de agregados de ceniza volante
Agregado de ceniza peletizada
Hormigón MVFA
cemento
ceniza
volante
80 %
agregado de
ceniza volante
agua
Apariencia, absorción y desempeño mecánico
similar a agregados livianos convencionales
( Tesis: Felipe Rivera, 2013 )
Hasta 80% de reemplazo total
Hormigón de baja densidad

Cenizas de biomasa: Rice Husk Ash (RHA)
Reemplazo de cemento por cenizas de combustión de cascarilla de arroz
cascarilla de arroz
Ceniza de Cascarilla de Arroz (CCA)
20% producción de arroz
Chile: 30.000 ton/año
20% de la cascarilla
Chile: 6.000 ton/año
( Tesis: Franco Zunino, 2012 )

Cenizas de biomasa: Rice Husk Ash (RHA)
Comparación de desempeño CCA v/s Puzolana Natural
( Tesis: Franco Zunino, 2012 )
Resistencias aumentan con sustituciones de 30% para CCA (posiblemente más)
Desempeño en durabilidad mejora significativamente: menor permeabilidad

Reciclaje de hormigón
Reciclaje de agregados (gruesos, finos)
Reciclaje de materiales cementicios
Acopio de hormigón de demolición . Foto: RSC, 2011.

Reciclaje de agregados de hormigón
Agregados de hormigón reciclado
Agregado virgen
Agregado de hormigón reciclado
1 mm
Microfotografía SEM BSEI ( Serpell, 2011 )

Reciclaje de agregados de hormigón
Residuos de
hormigón
Agregados de Hormigón Reciclado (RCA)
residuos
de pasta
mayor proporción
de residuos de pasta
RCA grueso
menor densidad
mayor absorción
mayor friabilidad
reduce trabajabilidad
aumenta retracción
reduce resistencia
reduce el módulo E
RCA fino
todo esto, pero peor!
no recomendado para hormigón
niveles de reemplazo muy limitados
Descartado

Reciclaje de residuos finos de hormigón
Residuos de
hormigón
Nivel 1
Jaw
Impact crusher
Nivel 2
Mech. grinder
Nivel 3
Mech. grinder
20 – 5 mm < 5 mm
60 % 40 %
45 % 55 %
35 % 65 %
Residuos finos de hormigón
Desarrollo de nuevos materiales
basados en residuos de hormigón
de construcción y demolición
¿Es posible que los residuos de
pasta de cemento contribuyan
al material reciclado?
Agregado reciclado
de alta calidad
Adaptado de Nagataki et al, 2004

Reciclaje de residuos finos de hormigón
Propiedad de Ingeniería
Alternativas exploradas:
1. 2.
1. Desarrollo de materiales de
baja resistencia controlada
(CLSM) basados en agregados
finos de hormigón reciclado
2. Desarrollo de materiales
cementicios reactivados (RCM)
CLSM
RCM
materia prima
del cemento
Energía adicionada al proceso

Reciclaje de residuos finos de hormigón
1.- Materiales de baja resistencia controlada (CLSM)
Rellenos fluidos auto-compactados, auto-nivelados
Resistencias deben ser menores a 80 Kg/cm 2
(< 20 Kg/cm 2 para futura excavación)
FHWA, 2003
Ensayo de fluidez de CLSM basado en agregados finos reciclados (Serpell, 2011)
FHWA, 2003

Reciclaje de residuos finos de hormigón
1.- Materiales de baja resistencia controlada (CLSM)
Alkalis presentes en los residuos de pasta
promueven reacciones puzolanicas de
materiales cementicios suplementarios
CLSM basado en agregados reciclados
requiere menores dosis de cemento

Reciclaje de residuos finos de hormigón
2.- Materiales cementicios reactivados (RCM)
H 2 O
CO 2 < producción
de Portland
residuos
cementicios
molienda
< 100 μm
deshidratación
> 600 °C
RCM
Resistencia a 28 días:
> 200 Kg/cm 2

Innovación en soluciones constructivas

Fondef :
D10I1086
“ Soluciones de muros de envolvente para casas de hormigón
bajo criterios de desempeño energi-térmicos, estructurales
y constructivos ”
Ingeniería estructural
Ingeniería de construcción
Ingeniería energi-térmica
Ciencia de materiales
Arquitectura

Fondef :
D10I1086
ETAPA 1
Análisis situación
actual
ETAPA 2
Análisis y revisión
de requerimientos
E1.1 Análisis científicoteórico
E2.1 A. y revisión
requerimientos
energitérmicos
E2.2 A. y revisión
de requerimientos
estructurales
E1.2 Análisis de
soluciones existentes
E2.3 A. y revisión
de requerimientos
constructivos
E3.1 Proposición de
40 alternativas
E3.2 Desarrollo de
16 alternativas
ETAPA 3
Generación de
alternativas de
muros
E3.3 Pre-selección
de 8 alternativas
E3.8 Planteamiento
y estructuración del
proceso de
selección de
alternativas
E3.4 Verificación
experimental
energitérmica
E3.5 Verificación
experimental
estructural
E3.7 Selección de 4
alternativas
E3.6 Verificación
experimental
constructiva
E3.9 Desarrollo de
plataforma de
selección de
alternativas
ETAPA 4
Validación de
soluciones de casa
E4.1 Prueba piloto
de 4 casas
E4.2 Prueba piloto
software de diseño
ETAPA 5
Formalización
de productos
E5.1 Empaquetamiento
del producto
E5.2 Protección
intelectual del producto
Metodología
ETAPA 6
Transferencia
de productos
Línea de producción soluciones de muros
E6.1 Capacitación y
difusión
Línea de producción
software de diseño

Fondef :
D10I1086
Soluciones integrales

Fondef :
D10I1086
Componentes parciales

Fondef :
D10I1086
Diseño de materiales

Fondef :
D10I1086
Plataforma de apoyo
a la toma de desiciones

Innovación en hormigón arquitectónico
ejemplos del mercado internacional y nacional

Hormigón arquitectónico y manufactura digital
Hormigones foto-grabados
(Photo-engraved Concrete)
Impresión con retardador
de fragüe y erosión con
agua a presión
Reckli.net

Hormigón arquitectónico y manufactura digital
Reckli.net
Foto-grabado vía CNC
Reckli.net

Hormigón arquitectónico y manufactura digital
Fabricación de moldes 3D
en series limitadas vía CNC
Microfábrica N.O.T (www.not.cl)

Hormigón arquitectónico y manufactura digital
Placas delgadas de hormigón reforzado con fibra de vidrio (GFRC)
Qala Digital Concrete (www.not.cl)

Hormigón arquitectónico y manufactura digital
Placas delgadas de hormigón reforzado con fibra de vidrio (GFRC)
Qala Digital Concrete (www.not.cl)

Hormigón arquitectónico y manufactura digital
Piezas de hormigón reforzado con fibra de vidrio (GFRC)
Qala Digital Concrete (www.not.cl)

rserpell@uc.cl