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Desarrollo de un concreto para impresión 3D con agregado reciclado proveniente de conchas de abanico (RCA), residuos de construcción y demolición (RCD) y residuos de polietileno tereftalato (RPET)
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-30) Tudela Laura, Marcell Hasser; Silva Mondragón, Guido Leonardo
La impresión 3D de concreto se enfrenta a desafíos significativos debido a la escasez global de arena natural, un recurso crítico en su fabricación. Sin embargo, la disponibilidad de Residuos de Construcción y Demolición (RCD), Residuos de Conchas de Abanico (RCA) y Polietileno Tereftalato reciclado (RPET) brinda una oportunidad para abordar esta escasez. Esta tesis se centra en el desarrollo y validación de una metodología de diseño de mezclas de concreto que integra estos agregados reciclados, basándose en el modelo de Funk & Dinger para obtener una granulometría continua ideal, con el objetivo de crear una alternativa viable en la impresión 3D de concreto. La metodología propuesta ha sido meticulosamente diseñada, considerando aspectos clave como la reología rotacional, para asegurar que las mezclas resultantes sean no solo imprimibles, sino que también presenten propiedades reológicas adecuadas. Para lograrlo, se realizaron ensayos experimentales en laboratorio, como ensayos de extrusión, bombeabilidad, ensayos reológicos y pruebas de impresión en 3D a mediana escala, para validar los diseños estudiados. Los resultados obtenidos demostraron que la integración de RCD, RCA y RPET puede satisfacer los requisitos reológicos sin comprometer la calidad constructiva del concreto. Este hallazgo no solo tiene implicaciones prácticas inmediatas para la impresión 3D de concreto, sino que también contribuye significativamente a la economía circular en la industria de la construcción. El impacto científico de esta investigación es considerable, ya que proporciona una metodología replicable y sustentable. Además, establece un precedente para futuras investigaciones, abriendo el camino hacia la optimización de mezclas de concreto con otros tipos de agregados reciclados y la exploración de nuevas aplicaciones en el campo de la impresión 3D de concreto.
Development of an eco-friendly composite based on geopolymer matrix produced with fired clay brick powder and reinforced with natural fibers
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-02-27) Silva Mondragón, Guido Leonardo; Kim De Aguilar, Suyeon
Current construction industry is responsible for a large amount of greenhouse gas emissions due to the widespread use of building materials with high-embodied energy such as ordinary Portland cement-based materials and steel. Therefore, this thesis presents the development of a new eco-friendly building material based on a geopolymer matrix produced with Fired Clay Brick Powder (FCBP) and reinforced with natural fibers as a low CO2 alternative for the traditional building materials. With this purpose, a review of recent advances in the application of geopolymer composites and geopolymers reinforced with natural fibers in the construction industry were first presented. This review covers two major eco-friendly materials for construction: first, geopolymers obtained from industrial by-products and waste materials, such as fly ash, ground granulated blast furnace slag, construction and demolition wastes and main tailings; and second, natural fibers used as reinforcement for geopolymer composite materials. Literature review allowed the definition of morphology, size, and the molar ratio of SiO2/Al2O3 in the raw material, together with the alkaline solution/solid ratio, NaOH concentration, SiO2/M2O molar ratio in the total alkaline solution and the curing conditions as key parameters in the formulation of geopolymers. It has been also found that the type, pre-treatment, amount and length of the natural fibers play an important role in the reinforcement of geopolymer matrices. Once key parameters of geopolymer composites production were identified, an attempt for the formalization of a methodology to improve the compressive strength of FCBP-based geopolymers is presented. The tests allowed the definition of optimum conditions of the FCBP-based geopolymers formulation and curing conditions, which resulted in a cementitious matrix with high compression strengths of up to 37 MPa. Nevertheless, high-strength geopolymers evidenced a fragile behavior and low ductility similar to Portland cement-based materials. Therefore, the last part of the work was focused on the evaluation of natural cellulose fibers (jute and sisal) as reinforcement of FCBP-based geopolymers. The results indicated that jute and sisal fiber addition at the optimum content significantly improved the compressive, splitting tensile and flexural strength with respect to the unreinforced geopolymer matrix and lead to a shifting of the failure mode from a brittle to a more ductile failure in all mechanical tests.
Diseño, fabricación y validación de un mortero geopolimérico a base de catalizador gastado de craqueo catalítico FCC para aplicaciones de manufactura aditiva
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-31) Hurtado Durand, Gianmarco Andre; Silva Mondragón, Guido Leonardo; Gudiel Rodriguez, Edwin Roberto
La impresión 3D es una tecnología emergente que está revolucionando la industria de la construcción. Un gran número de proyectos de construcción con impresión 3D usa como principal material el concreto a base de cemento Portland. No obstante, la producción del cemento es altamente contaminante, aportando cerca del 75% de los gases de efecto invernadero de la industria de la construcción. Por lo tanto, algunos investigadores han empleado a los geopolímeros como conglomerante hidráulico alternativo al cemento Portland. Sin embargo, la producción de los geopolímeros generalmente requiere una disolución alcalina que tiene un elevado costo y significativo impacto ambiental. Considerando este escenario, esta tesis plantea usar un residuo proveniente de la industria cervecera denominado tierra de diatomeas como activador alcalino alternativo. Al mezclarse con el catalizador gastado de craqueo catalítico (FCC) en polvo permitirá la producción de un mortero geopolimérico compatible con la tecnología de manufactura aditiva. Se realizó un plan experimental abarcando (i) el procesamiento y caracterización de los materiales (ii) la evaluación de propiedades en estado fresco de mortero geopolimérico (fluidez, trabajabilidad, capacidad de extrusión y edificabilidad) (iii) la validación del diseño de mezcla y (iv) la evaluación de la resistencia a la compresión del mortero geopolimérico. Se determinó que el polvo de FCC debía pasar por un proceso de molienda de 6 horas para llegar a un tamaño promedio de partícula de 17 μm y de esta manera mejorar su reacción con la disolución alcalina. Se realizó el diseño de mezclas mediante ensayos de extrusión por manga pastelera en donde se pudo observar la buena trabajabilidad de las mezclas. Se obtuvieron filamentos continuos y sin deformaciones geométricas, los cuales son una de las principales características de la impresión 3D. Mediante la impresión de elementos en 3D se validó la dosificación imprimible con una molaridad de NaOH en la disolución alcalina de 7, una relación disolución alcalina/materia prima de 1.04 y una relación agregado fino/materia prima de 2.91 que cumple con las características esperadas. También, se evaluó la resistencia a la compresión de todas las mezclas, en donde la dosificación imprimible tuvo una resistencia promedio de 10 MPa. La presente tesis abre una nueva línea de investigación del uso de residuos industriales para la fabricación de geopolímeros que cumplan con los requisitos para su aplicación en manufactura aditiva y brindando una alternativa de bajo impacto ambiental.
Propuesta de una metodología experimental para el diseño de morteros cementicios para aplicación de construcción mediante manufactura aditiva
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-10-10) Baldoceda Perez, Jordan Jesus; Silva Mondragón, Guido Leonardo
Durante las últimas décadas, el escaso desarrollo tecnológico que ha experimentado la industria de la construcción ha dejado en evidencia la necesidad de una pronta actualización. Entre los más grandes déficits se puede mencionar la baja optimización de la gestión de tiempo, material, así como económico. Investigadores relacionados al área han encontrado en la Manufactura Aditiva (AM) una adecuada alternativa para introducir tecnología avanzada en el desarrollo de la construcción de edificaciones. De acuerdo con Agarwal et al. (2016), la manufactura aditiva aplicada a la construcción es una valiosa herramienta que conlleva a importantes mejoras en el ámbito económico y ambiental. Este novedoso proceso tecnológico se encarga de agilizar la construcción de viviendas a través de la automatización de sus procesos. Debido a la gran versatilidad de la AM, esta es capaz de colaborar con procesos como la metodología colaborativa de gestión de proyectos Building Information Modeling (BIM), Internet de las cosas (IoT) y softwares de mapeo digital de datos. El uso simultaneo de estas herramientas iniciaría la transición de la construcción hacia la industria 4.0, optimizando el costo, gestión de tiempo y uso de material durante la ejecución de proyectos. Por lo tanto, la presente investigación tiene como objetivo desarrollar mezclas de mortero que sean compatibles con el sistema de manufactura aditiva. Para ello se estudió a profundidad el estado del arte de la impresión 3D enfocada en la industria de la construcción. Luego, se realizó un resumen detallado de los sistemas de impresión 3D, procesos de impresión, matrices imprimibles, propiedades de los materiales y ensayos de caracterización aplicados a la manufactura aditiva de mortero. Basados en la revisión bibliográfica, se seleccionaron ensayos experimentales de veleta de corte, estabilidad cilíndrica, extrusión y de constructabilidad para evaluar las propiedades de la mezcla. En base a dichos ensayos se propusieron protocolos para las distintas etapas del desarrollo de morteros cementicios imprimibles. Posteriormente, se seleccionó la dosificación que supero satisfactoriamente todas las etapas y además presento mejor viabilidad económica. Finalmente, se validó la mezcla mediante la impresión de elementos con patrón de relleno complejo. Los resultados obtenidos muestran que la aplicación de la metodología de evaluación propuesta logró desarrollar eficientemente cuatro mezclas de mortero compatibles con la impresión 3D. Además, se demostró que el uso de la tecnología de manufactura aditiva optimiza el proceso constructivo y brinda mayor flexibilidad en el diseño de elementos no estructurales.