Sustainability concepts applied to the design of recycled aggregates concrete
Authors:   , Jiménez Fernández Cristián 
Published: July 2023

Due to the related problems and the ongoing awareness on environmental issues is that efforts are put in different areas of knowledge, in order to determine, analyze and formulate solutions towards a sustainable future. Among these problems, there are the ones related with the use of concrete in the construction sector. These are essentially related to the natural resources used for their production and to the manufacture of cement, one of its most important components.
As of today, one of the solutions is recycling the concrete for the production of aggregates, which can be used in the elaboration of new concrete mixes. This is in fact not the best solution as, albeit the natural aggregates utilization is reduced and consequently the depletion of natural resources is as well, more quantities of cement are needed to achieve comparable properties to those of the natural aggregates concretes, being cement a relevant contributor to global warming.
A novel method for recycled aggregates concrete design, so-called ¿Equivalent Mortar Volume¿, aims on solving the aforementioned issues by basing its principles on the idea that recycled aggregates are materials that are composed by two phases, the natural aggregate and the attached mortar to it, and by taking into account the attached mortar as part of the new mortar required by design in the concrete mix. With this, the needs for cement are reduced while still using recycled aggregates and achieving similar properties to those of the natural aggregates concretes. The method always starts from a concrete design made with the American Concrete Institute method as a base. The novel essence of the method encourages to investigate more about its properties and the possibilities to broaden its scope, for which the present doctoral thesis is proposed. On a initial stage, the Equivalent Mortar Volume method is studied and an adaptation of it is proposed in order to broaden its scope by making it able to start with other design methodology than the American Concrete Institute one. This is achieved by designing different concrete mixes and by analyzing the different calculation steps that the method involves. From the work carried out, it is concluded that the method represents a feasible and environmentally friendly solution, and that it can be adapted to another concrete design methodology.
The next stage consists on the obtention and analysis of some of the fresh state, mechanical and durability properties of the different concretes, and to evaluate the use of different methodologies for the concretes design. This was achieved by elaborating extensive experimental campaigns of different concretes mixes and by assessing them when appropiate.
The findings of these campaigns show that the concretes designed with the novel method achieve, in the majority of the studied properties, comparable results to those of the natural aggregates concretes.
In the following stage, the rheological properties of the concretes are studied by means of a viscometer apparatus. This was done with the aim of having a deeper understanding of some of the properties that the method affects the most. It was observed that the concretes designed with the novel method can achieve similar rheological properties to those of the natural aggregates concretes, when combining the use of certain admixtures.
Debido a los problemas relacionados y a la actual concienciación sobre los temas medioambientales es que se están haciendo diversos esfuerzos en diferentes áreas del conocimiento, de manera de determinar, analizar y formular soluciones para lograr un futuro sustentable. Entre estos problemas están los que se relacionan con el uso del hormigón, en el sector de la construcción. Éstos se refieren fundamentalmente a la utilización de recursos naturales para la producción de hormigón y a la fabricación de cemento, siendo este último uno de sus principales constituyentes. A día de hoy, una de las soluciones el reciclaje de hormigón para la producción de áridos, que luego pueden ser utilizados en la fabricación de nuevos hormigones. Sin embargo, ésta no es la mejor solución, ya que si bien se reduce la utilización de áridos naturales y, por consiguiente, la explotación de recursos naturales, son necesarias mayores cantidades de cemento para lograr propiedades comparables a las de un hormigón de áridos naturales, siendo el cemento un importante contribuidor del calentamiento global. Un innovador método para el diseño de hormigones de áridos reciclados, llamado "Equivalent Mortar Volume" (Volumen de Mortero Equivalente), apunta a solucionar los problemas mencionados anteriormente basándose en la idea de que los áridos reciclados son materiales constituidos por dos fases, el árido natural y el mortero adherido a ellos, y en considerar el mortero adherido como parte integrante del nuevo mortero requerido por diseño en el hormigón. De esta manera se reduce la demanda de cemento, se siguen utilizando áridos reciclados y se consiguen propiedades similares a las de un hormigón de áridos naturales. La esencia innovadora del nuevo método es la que anima a investigar más acerca de sus propiedades y las posibilidades de ampliar su alcance, razones por las cuales se propone la presente tesis doctoral. En una etapa inicial, el método es estudiado y se propone una adaptación de éste, de manera de poder comenzar desde un diseño hecho con otra metodología diferente a la del American Concrete Institute. Lo anterior se logra mediante el diseño de diversas mezclas de hormigón y el análisis de los diferentes pasos de cálculo que conllevan. Las conclusiones obtenidas son que el método representa una solución viable y medioambientalmenteamigable, y que puede ser adaptado a otro método de diseño de hormigones. La siguiente etapa consistió en la obtención y el análisis de algunas propiedades en estado fresco, mecánicas y de durabilidad de los diferentes hormigones, y en la evaluación de diferentes metodologías de diseño de éstos. Esto se logró mediante la elaboración de extensas campañas experimentales de hormigones y de sus correspondientes análisis. De estas campañas se deduce que los hormigones diseñados con el nuevo método alcanzan, en la mayoría de los casos, propiedades comparables a las de hormigones de áridos naturales. Posteriormente se realiza un estudio de las propiedades reológicas de los hormigones mediante la utilización de un viscosímetro. Esto se ha hecho con la finalidad de obtener un conocimiento más profundo sobre algunas de las propiedades en las que el método tiene gran incidencia. Se observa que los hormigones diseñados con el nuevo método pueden alcanzar propiedades reológicas similares a las de los hormigones de áridos naturales si se utilizan, de forma combinada, ciertos aditivos. La etapa final consiste en la evaluación de los impactos ambientales que producen diferentes hormigones seleccionados. Esto se hace con la metodología de Life Cycle Assessment (Análisis de Ciclo de Vida) y contempla la evaluación de cuatro hormigones diferentes. Los resultados indican que los hormigones diseñados con el nuevo método alcanzan mejores comportamientos medioambientales y que el cemento es el que más contribuye en las diferentes categorías de impacto analizadas, lo que podría modificarse si se utilizaran cementos con adiciones.