Diseño de una metodología para la optimización ambiental del concreto bajo restricciones presupuestarias

Abstract

Nowadays most houses and buildings are made from concrete due to its advantages, especially for high rise construction. However, its elevated environmental load has led researchers to look for better and greener options. Several studies have been made to evaluate the environmental and financial feasibility of replacing materials of concrete (cement by Supplementary Cementing Materials -SCMs- and gravel by Recycled Concrete Aggregate -RCA-) in order of making it eco-friendlier, mostly by applying the Life Cycle Assessment (LCA), and Life Cycle Costs Assessment (LCCA) methodologies. Most of these studies have focused on the analysis of previously designed concrete mixes. Only a reduced number of studies have aimed at developing methodologies to design concrete mixes or to optimize them. This study introduces OptiCon, a linear binary programming model that generates concrete mixes under budgetary constraints, being the CO2 emissions associated with its fabrication the minimization objective, by using SCMs (fly ash, slag, silica fume) and RCA. To achieve this a partial LCA was conducted in order to obtain a generic equation of CO2 emissions; compressive resistance of the mix is validated and restrained to 28 Mpa using the W/C ratio (Abram’s Law); 42 concrete mixes of 28 Mpa were analyzed and linear regression models to predict the volume of sand and coarse aggregate based on the volume of cementing materials were developed; bounds for replacement materials and admixtures were proposed according to literature; a budgetary equation based on the cost of purchase and transportation was formulated as well as binary equations to guarantee that just one SCM was being used. To validate the model, 30 cases were simulated, and statistical analysis revealed that mixes generated by OptiCon reduce on average 39.74% of CO2 emissions, and cost on average 33.87% less when compared to conventional concrete mixes making it a great advancement towards sustainability in construction.

Hoy en día, la mayoría de las casas y edificios están hechos de concreto debido a sus ventajas especialmente para la construcción de altura. Sin embargo, su elevada carga ambiental ha llevado a los investigadores a buscar opciones más ecológicas. Se han realizado varios estudios para evaluar la viabilidad ambiental y financiera de la sustitución de los materiales de concreto (cemento por Materiales Cementantes Suplementarios -MCS- y grava por Agregado de Concreto Reciclado -ACR-), principalmente aplicando las metodologías de Análisis del Ciclo de Vida (ACV) y Análisis del Costo del Ciclo de Vida (ACCV). La mayoría de estos estudios se han centrado en el análisis de mezclas previamente diseñadas. Sólo un número reducido de estudios se ha dirigido a desarrollar metodologías para diseñarlas o para optimizarlas.Este estudio introduce OptiCon, un modelo de programación lineal binaria que genera mezclas de concreto bajo restricciones presupuestarias, siendo las emisiones de CO2 asociadas a su fabricación el objetivo a minimizar, mediante el uso de MCS y ACR. Para ello se realizó un ACV parcial con el fin de obtener una ecuación genérica de las emisiones de CO2; se valida la resistencia a la compresión y se restringe a 28 Mpa utilizando la relación A/C; se analizaron 42 mezclas y se desarrollaron modelos de regresión lineal para predecir el volumen de arena y agregado grueso en función del volumen de cementantes; se propusieron límites para los materiales de reemplazo y los aditivos de acuerdo con la literatura; se formuló una ecuación presupuestaria basada en el costo de compra y transporte, así como ecuaciones binarias para garantizar que sólo se utilizara un MCS.Para validar el modelo, se simularon 30 casos. El análisis estadístico reveló que las mezclas generadas por OptiCon reducen en promedio el 39.74% de las emisiones de CO2 y cuestan en promedio un 33.87% menos comparadas con el concreto convencional, lo que supone un gran avance hacia la construcción sostenible.