Introduction

La reducción de la extracción de recursos naturales no renovables es una preocupación constante relacionada con la preservación del medio ambiente y fomenta el uso de materiales reciclados \cite{M_ller}.
La necesidad de encontrar reemplazo para la arena, proviene del hecho de que en la mayor parte del mundo existe una creciente preocupación por el agotamiento de los depósitos de arena y las amenazas ambientales y socioeconómicas asociadas con la extracción de arena de las riveras de ríos, áreas costeras y tierras agrícolas \cite{Kankam_2017},  debido a que el hormigón es el material de elección que se usa ampliamente en la industria de la construcción \cite{Ashish_2017} y con el aumento de dichas actividades, la demanda de arena fluvial ha aumentado exponencialmente causando el agotamiento y la explotación de la arena natural \cite{Agrawal_2017}.
por otra parte, casi todas las actividades industriales y humanas producen desechos, y su creciente acumulación es causa de graves problemas ambientales y económicos en todo el mundo \cite{Cardoso_2016}. La industria de la construcción en áreas urbanas es un sector adecuado para fomentar el uso racional de residuos y subproductos industriales \cite{Ossa_2016}, por lo que, investigadores de todo el mundo han intentado utilizar residuos de escoria de cobre, neumáticos de caucho, vidrio reciclado, ceniza de estanque, arena de fundición, plástico, piedra, etc, etc,  como \cite{Singh_2016}, como sustituto de arena natural, ya que se ha demostrado que la adición de agregados a un sistema de union confiere ventajas técnicas que contribuye a la estabilidad de volumen, la durabilidad y el rendimiento estructural \cite{Stefanidou_2014}, además, los hormigones modificados obtenidos a través de incorporación de materiales de desecho pueden conducir al desarrollo sostenible de productos \cite{Muttashar_2018}.
Las leyes mineras más estrictas, han hecho que la necesidad de sustituir la arena natural en el concreto o mortero sea una necesidad absoluta \cite{Singh_2016}, debido a la urbanización global, la rápida industrialización y el desarrollo económico, la generación de desechos ha aumentado y la creciente cantidad de desechos generados generalmente no se gestiona adecuadamente \cite{Alwaeli_2016}, Cabe señalar que en muchos países han aprobado y ya han desarrollado nuevas estrategias para las canteras de extracción \cite{Bederina_2013}, se han formulado normas para garantizar la gestión sostenible de los recursos a través de intervenciones politicas \cite{Ramachandra_2017}.
Este trabajo presenta una revisión del estado del arte sobre la importancia de una investigación profunda de las arenas, para dar soluciones a los problemas ambientales generados por la sobre explotación y así dar un enfoque de desarrollo sostenible que exige el uso de materiales ecológicos en las obras de ingeniería como un material sustituto \cite{Bostanci_2016}.
 

Arena como material de construcción

Las arenas de mar se han utilizado como materia prima en el hormigón, modificando sus propiedades como su trabajabilidad y su resistencia a corto y largo plazo \cite{Xiao_2017}, se ha demostrado que el concreto con arena y agua de mar desarrolla su fuerza inicial más rápido que la del hormigón ordinario, aunque causan efectos significativos en la corrosión del acero inducida por cloruros. Con el propósito de cuidar el medio ambiente, se han realizado investigaciones sobre las arenas contaminadas de petróleo crudo, las cuales son recicladas y utilizadas en la construcción mezclando y estabilizando con cemento \cite{Abousnina_2015}, se revisó el efecto de la contaminación del aceite sobre las propiedades mecánicas de la arena y se encontró que la cohesión aumentó significativamente hasta 1%  de la contaminación del petróleo y luego disminuyó al aumentar el porcentaje de petróleo crudo, se observó un ligera reducción en el ángulo de fricción con la contaminación del petróleo, la resistencia a la compresión del mortero con arena contaminada con aceite se considero adecuada para algunas aplicaciones de ingeniería, lo que indica su alto potencial y uso benéfico como material emergente y sostenible en la construcción. Las arenas también se han utilizado en la construcción de terraplenes sobre suelos blandos y comprimibles \cite{van_Eekelen_2016}, se consideraron dos métodos de construcción: (I) una solución que utiliza un terraplén de arena , drenaje vertical y una carga de recargo temporal y (II) un terraplén basal reforzado apilado, el proceso incluyó considerar el diseño, el rendimiento, los costos y los riesgos de cada uno de los tipos de construcción considerados, se concluyó que los costos de vida fueron similares para ambos tipos de construcción.
En otro enfoque sobre el uso de las arenas, se encuentran las cercas de arena de tipo inserción inclinada que consisten en una nueva pared de retención de arena para controlar y bloquear el movimiento de arena \cite{Cheng_2016}, se realizaron pruebas mediante túnel de viento para la simulación de prueba de campo de flujo de cercas de arena.  Una solución para los problemas de socavación son la vallas de arena, que son estructuras artificiales utilizadas para controlar la ubicación o la tasa de deposición eólica \cite{Li_2015}, se reviso la literatura sobre la aerodinámica y la morfodinámica, considerando tanto cercas de viento y vallas de atrapamiento de arena para controlar la deposición de arena, concluyendo que la altura y la porosidad de una valla de viento son los factores más importantes que controlan la estructura del flujo y el efecto refugio, la apertura del tamaño, la geometría y porosidad desempeñan papeles secundarios.  
 

Explotación de arena: impacto ambiental

El aumento en las actividades de construcción está llevando al agotamiento y explotación de la arena natural, causando efectos adversos sobre el medio ambiente  \cite{Agrawal_2017}, se espera que la demanda de materiales a base de cemento aumente en un factor de 2.5 en los próximos 40 años, especialmente en los países en desarrollo \cite{Ulsen_2013a}, esto implica una demanda creciente en los agregados, principalmente en las áreas metropolitanas. Hoy en día este fenómeno se convierte en una seria amenaza para  nuestro equilibrio económico y social, lo que hace que el desarrollo sostenible sea un gran desafio, particularmente en el sector de la construcción \cite{Fraj_2017}, sin embargo, la construcción sustentable se puede lograr con la ayuda del concreto  verde implementando las herramientas y estrategias adecuadas, esto se debe a que el concreto verde es el concreto durable producido con el objetivo de tener el menor impacto sobre el medio ambiente \cite{Siddique_2018}, mediante la sustitución de agregados naturales con materiales reciclados, y la sustitución de cemento con materiales de desecho.
La gestión de restauración de las canteras es una de las principales tareas de la ecología de la restauración mundial, se ha evaluado el potencial de restauración de los pozos de grava y arena para murciélagos, un grupo objetivo para la conservación, utilizando datos de 21 pozos monitoreados \cite{Kerbiriou_2018}, se observó que sólo las canteras que se habían rehabilitado durante más de 10 años exibieron una actividad de murciélago significativa, con éstos resultados se resalta el tiempo requerido para detectar cambios obvios en el sitio que se rehabilita, dichos resultados deberían tomarse en cuenta al dimensionar las medidas de compensación de las canteras. 
Por otro lado, en los países industruales de todo el mundo hay un mayor interés por el reciclaje y, por lo tanto por el ahorro de resusrsos \cite{Yazoghli_Marzouk_2014}, por lo que se han implementando tanto objetivos internacionales, como Protocolo de Kioto y la Ley nacional de cambio climático, para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero \cite{Bostanci_2016}, con esto se busca resolver la creciente crisis de eliminación de desechos, disminuir el consumo de materias primas y al mismo tiempo estimular una economía circular.

Arena de fundición de desechos

La arena de fundición de desechos (WFS), un subproducto de las industrias de fundición de metales ferrosos y no ferrosos es uno de esos materiales prometedores que puede utilizarse como alternativa a la arena natural en el hormmigon \cite{Bhardwaj_2017}, los resultados observados en diversos estudios muestran que el reemplazo de WFS mejora en cierta medida la durabilidad y las propiedades de la resistencia del hormigón, pero al mismo tiempo disminuye el valor de asentamiento con el aumento de nivel de reemplazo de WFS. Debido a que la arena natural es escasa y de alto costo \cite{Manoharan_2017},  se reemplazó por WFS, los hallazgos sugieren que WFS WF puede reemplazar con eficacia la arena de río, sin embargo, se recomienda que el reemplazo no exceda el 20% de su peso.  Se llevaron a cabo varias pruebas para el rendimiento mecánico y físico de los productos solidificados \cite{Basar_2012}, los resultados de ésta investigación sugieren que la WFS se puede utilizar de manera efectiva en la fabricación de concreto premezclado de buena calidad como reemplazo de agregados finos sin efectos adversos mecánicos, ambientales y microestructurales. La WFS se ha utilizado en la construcción sostenible ya que no solo ayuda a proteger el medio ambiente sino que también genera ahorros monetarios \cite{Siddique_2018}, se realizó un estudio sobre los beneficios económicos y ambientales concluyendo que el concreto verde fabricado con WFS es económico y reduce el impacto negativo en el medio ambiente al reducir las emisiones de CO2. La WFS puede potencialmente reutilizarse como material de construcción en proyectos de infraestructura de ingeniería civil \cite{Arulrajah_2017} se realizaron pruebas geotécnicas y ambientales para evaluar la propiedades y la vialidad de WFS para su uso en proyectos de construcción, los resultados de las pruebas geotécnicas incluidas la determinación de la densidad seca máxima, el contenido de humedad óptimo, la relación de rozamiento de california (CBR) y la permeabilidad indican que la WFS puede utilizarse satisfactoriamente como material de relleno en terraplenes y aplicaciones de cama de tuberías. De igual forma se ha experimentado la factibilidad de la WFS dentro de la capa de subbase, considerando que el nuevo material de la carretera debe cumplir funciones geotécnicas y prescripciones ambientales, evitando cualquier filtración importante de elementos contaminantes \cite{Yazoghli_Marzouk_2014}, los resultados muestran que la WFS tratada con 5.5% de aglutinante hidráulico, muestra rendimientos mecánicos aceptables y no muestra impactos ambientales. Otro uso que se le ha dado a la WFS es el de reemplazar la arcilla en la producción de ladrillos de arcilla roja, las muestras de prueba obtenidas se compararon con ladrillos de control que no contienen adiciones de desechos, evaluando las propiedades fisioquímicas, mecánicas y ambientales \cite{Quijorna_2012}, la incorporación de WFS permite la producción de ladrillos más eficientes en el uso de los recursos y de menor costo, se detectó menor absorción de agua del ladrillo sinterizado debido a la porosidad conectada reducida, reducciones significativas de CO2 y emisiones de NOx durante la cocción, otras propiedades fisico-quimicos y mecánicos no se vieron afectados significativamente, sin embargo, es necesario limitar la adición de WFS a menos de 30% en peso para cumplir con los límites de lixiviación reguladores para Mo. Por otro lado la WFS se ha utilizado como materia prima para preparar agregados sujetos a la extracción de sirconio debido a su alto valor \cite{Xiang_2017}

Arena reciclada

Las arenas son uno de los recursos naturales más explotados y es un material no renovable, el uso de agregados de concreto reciclado de 1-4 mm de diámetro llamadas arena reciclada (RS) como material de construcción aún no se ha extendido, una de las razones radica en la porosidad, un RS es más poroso que su agregado natural debido a la presencia de pasta de cemento antigua adherida \cite{Yacoub_2018}, se demostó que una pre-saturación adecuada del RS puede mejorar la consistencia del mortero. La cantidad de agua presente en la pasta de cemento excluyendo el agua absorbida por los agregados, influye fuertemente en las propiedades frescas y endurecidas del material, se ha medido el coheficiente de absorción de agua de RS por diferentes métodos \cite{Le_2016}, los resultados muestran que la absorción de agua depende estrechamente del protocolo experimental utilizado y que el contenido de agua inicial, el método y el tiempo de pre-saturación influyen significativamente en la trabajabilidad inicial de los morteros. Existen investigaciones sobre evaluar los efectos de RS sobre las propiedades físicas y mecánicas del mortero de resina epoxi (PM) y su durabilidad frente a la difusión de iones de cloruro, se realizaron estudios comparativos sobre morteros a base de cemento (CM) \cite{Bourguiba_2017}, los resultados obtenidos mostraron que en comparación con los CM los PM tienen una menor porosidad y, por lo tanto mayores propiedades mecánicas y una mejor resistencia a la difusión de iones cloruro independientemente de la naturaleza de la arena. También se han realizado investigaciones que estudian la dosificación y los efectos en la microestructura y las nuevas propiedades básicas del uso de RS para producir hormigón autocompactante \cite{Carro_L_pez_2017}, el agregado fino reciclado cambia la trabajabilidad y la reología del mortero y el concreto, además, existe una reducción severa de la resistencia a la compresión, esto podria estar directamente relacionado con éstos cambios de la micro estructura, la relación de sustitución recomendada con una pequeña disminución del rendimiento mecánico es de hasta 20%. Algunas investigaciones demuestran que al agregar una dosis óptima de superfluidificador, los moreteros hechos a base de RS tienen las mismas características mecánicas que el mortero hecho a base de arena estandarizada \cite{Ferro_2015}.  Sin embargo, existe la posibilidad de crear RS de alta calidad, se investigó la remoción selectiva con una trituradora de impacto vertical de la pasta de cemento unida a agregados reciclados y las posibles mejoras en la calidad de la RS que se produce \cite{Ulsen_2013}, los resultados mostraron que el método propuesto permitió la producción de arena de baja porosidad a partir de residuos de construcción y demolición, lo cual puede contribuir a cambiar el modelo de reciclaje de la construcción. Incluso algunos estudios de laboratorio se enfocan en la separación de minerales para eliminar partículas con un alto contenido de pasta de cemento, el procedimiento logró el procesamiento de RS por trituración de impacto terciario para producir arena, seguido de tamizado, densidad y estudios de separabilidad magnética \cite{Ulsen_2013}, dando resultados efectivos para reducir el contenido de pasta de cemento y producir una recuperación masiva significativa. La producción de RS contribuye a la sostenibilidad del entorno de la construcción al reducir tanto el consumo de materias primas como la eliminación los residuos de la construcción.   

Arena de cenizas volante

Millones de toneladas de cenizas volantes se producen anualmente a partir de las plantas de energía térmica, de las cuales solo se utiliza el 30% mientras que el resto es arrojado a los vertederos, la arena triturada o las cenizas volante de gran volumen se han utilizado como reemplazo de arena natural, sin embargo la arena de cenizas volante de geopolímeros (GFS) podría ser mejor para el medio ambiente \cite{Agrawal_2017}, las partículas de GFS se preparan por geopolimerización, donde sus propiedades se comparan con las de la arena natural, los resultados son satisfactorios en términos de propiedades físicas químicas, mecánicas y de durabilidad. Se ha analizado la influencia de diversos parámetros sobre la resistencia a la compresión y las propiedades de absorción de agua de las mezclas de hormigón a base de GFS \cite{Mehta_2017},  donde se obtuvo una resistencia a la compresión máxima de 7 días de 64.39 MPa y una absorción de agua mínima de 3.04% , las propiedades de la microestructura también se examinaron usando Microscopía Electrónica de Barrido y análisis de Difracción de Rayos X que confirmaron una matríz más compacta y menos permeable para la mezcla óptima. Existen bioaditivos tales como los azúcares naturales (melaza/palm jagggery/miel) que se investigaron para comprender el impacto positivo en las propiedades mecánicas del hormigón bio-geopolímero bajo condiciones de curado ambientalmente amigable \cite{Karthik_2017}, los resultados experimentales confirmaron que la combinación de los bioaditivos en hormigón granular basados en GFS mejoró un 31.31% de la resistencia a la compresión, un 14.7% de la resistencia a la rotura y un 27.59% de resistencia a la flexión cuando se compararon con muestras de control curadas a los 28 días en condiciones ambientales adecuadas. Sin embargo, en un ambiente marino se experimentó la durabilidad del concreto que incorpora altos volúmenes de FAS comparándolos con especímenes de control (sin FAS) \cite{Moffatt_2017},  se observó erosión superficial en todos los especímenes, pero el grado de erosión era ligeramente peor para el hormigón con FAS y los resultados de pruebas de permeabilidad al cloruro también indican aumentos significativos en la reistencia a la penetración de iones cloruro.
También se ha investigado sobre el posible uso de materiales de desechos en ladrilllos, para disminuir el consumo de material de arcilla y reducir la carga ambiental \cite{Abbas_2017}, los ladrillos se fabricaron utilizando FAS y materiales de tierra convencionales, los resultados indican que la resistencia a la compresión de los ladrillos con FAS fué menor en comparación con los ladrillos de arcilla, sin embargo, los ladrillos que incorporan hasta 20% de FAS cumplió con los requisitos mínimos de construcción, también se observó una reducción en el peso de los ladrilllos de FAS que conducirian a una reducción general del peso de las estructuras.  Se han preparado morteros geopolímeros basados en FAS para evaluar su comportamiento térmico para el almacenamiento de energía en plantas termo-solares, donde se reflejó que se mantuvieron estables después de cada tratamiento térmico y las muestras tratadas a temperaturas elevadas conservaron una resistencia a la compresión aceptable, lo que demuestra que los geopolímeros basados en FAS son materiales adecuados para el almacenamiento de energía térmica en concretos \cite{Colangelo_2017}
Otro posible empleo de la arena de cenizas volante (FAS) es combatir los problemas de licuefacción en los suelos arenosos, es por eso que se realizó una serie de pruebas triaxiales cíclicas para determinar la resistencia a la licuefacción de arena estabilizada con FAS \cite{Keramatikerman_2017},  los resultados indicaron que las mezclas de FAS tienen más resistencia a la falla de licuefacción en comparación con el suelo no tratado, la mezcla de FAS para una densidad relativa de 80% tiene el mayor valor de resistencia. La FAS también se puede utilizar como estabilizador de suelo, se han realizado investigaciones experimentales con el propósito de evaluar el efecto de FAS sobre la compactación de arena fina y su idoneidad como material para terraplenes, los resultados muestran que a medida que se aumenta el porcentaje de FAS, se observó una reducción en la densidad seca máxima y un contenido de humedad óptimo más alto \cite{Mahvash_2017}.

Desechos de corte de granito

Los productos industriales como los desechos de corte de granito (GCW) tienen un efecto perjudicial sobre el medio ambiente, por lo que se busca una forma sostenible de deshacerse de GCW utilizándolo como un reemplazo parcial de arena natural en concreto convencional \cite{Singh_2016} , se realizaron pruebas para examinar el comportamiento de resistencia y durabilidad del hormigón que contiene GCW para determinar su viabilidad en la construcción, los resultados de las pruebas indican que el porcentaje de reemplazo óptimo del agregado fino con GCW es de 30% ya que el rendimiento del concreto se mejora significativamente, sin embargo se recomienda que los residuos de GCW se sometan a una sustancia quimica de blanqueo antes de mezclarlo en el concreto para aumentar la resistencia al sulfato \cite{Vijayalakshmi_2013}. Otros trabajos analizan las pastas de cemento modificadas con polvo GCW para verificar la resistencia a la corrosión del refuerzo del concreto, donde se observó que el uso de GCW como adición de cemento al 5% incrementó el tiempo de craqueo a la corrosión y no se observo una reducción significativa en el tiempo de craqueo en los contenidos de GCW mayores a 5% \cite{Abd_Elmoaty_2013}.
Estudios sugieren la incorporación de GCW en los bloques de construcción como reemplazo de los agregados finos y comparar favorablemente con la de los materiales de construcción convencionales utilizados \cite{Lokeshwari_2016},  También existen trabajos de investigación donde se utiliza GCW para la producción de tejas, los resultados obtenidos permitieron concluir la posibilidad de producir tejas que incorporaron un 10% de residuos de GCW con exelentes propiedades (absorción de agua <6%, índice de deformación piroplastica menor y valores de resistencia a la flexión de alrededor de 14 MPa y 38 MPa para el verde y productos sinterizados, respectivamente \cite{Torres_2009}
Con el fin de lograr una producción  más limpia en cuanto al corte de los bloques de granito, se han investigado tecnologías sostenibles, la tecnología de sierras portátiles fue elegida como la tecnología de referencia debido a su amplia gama de aplicaciones, los resultados de las alternativas  se expresaron y compararon utilizando indicadores ambientales, económicos y técnicos relevantes \cite{Bai_2016}, de acuerdo a los resultados de ésta investigación la tecnologia Diamond Multi-Circular Saw con 30 cuchillas tenía el mayor coheficiente de proximidad a la solución ideal.
Además del GCW existe otro desecho de piedra generado a nivel mundial en grandes cantidades, el cuál es el lodo de mármol (MS), se encontró que para utilizar el MS como sustituto de agregado fino en la fabricación de hormigón y descuidando las variaciones menores, el porcentaje de reemplazo óptimo fue del 15% (Sarbjeet Singh, Anshuman Tiwari ).
La sustitución óptima de arena por GCW puede abrir nuevas vías en técnicas de construcción sostenibles y reducir el efecto perjudicial sobre el medio ambiente debido a la eliminación de residuos. 

Otros materiales para reemplazo de arena natural

Se han hecho investigaciones para utilizar la ceniza residual de bagazo de caña de azucar (SBA), para producir morteros y hormigones como reemplazo de arena \cite{Sales_2010}, se llevaron a cabo pruebas de resistencia a la compresión, resistencia a la tracción y módulo elástico, los resultados indicaron que las muestras de SBA presentaban propiedades físicas similares a las de la arena natural y en el caso de los morteros mostraron mejores resultados mecánicos comparados con las muestras de referencia de arena natural.
Existe inquietud en la eliminación de incrustaciones y desperdicios de virutas de acero lo cuál se investigó sobre la fabricación de hormigón a base de desechos de astilla de acero como sustituto de arena natural \cite{Alwaeli_2016}, los datos muestran que el concreto mezclado con desperdicios de acero tienen mejor resistencia que el concreto ordinario, mientras que el caso del concreto mezclado con desechos de incrustaciones, una adición mayor al 25% produjo una reducción en la resistencia a la compresión. Otro desecho que se ha utilizado para reemplazar la arena en la fabricación del hormigón son las cenizas de carbón, las cuales son producidas por las plantas de energía térmica   \cite{Singh_2016},  las cuales mostraron un módulo de elasticidad y resistencia a la abrasión más bajos en comparación con las mezclas de hormigón de control, con la edad fué mejorando dicha resistencia.    
    
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