ISBN PROPIEDADES DEL HORMIGÓN CON RESIDUOS SÓLIDOS NO BIODEGRADABLES

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1 PROPIEDADES DEL HORMIGÓN CON RESIDUOS SÓLIDOS NO BIODEGRADABLES Gustavo Ignacio Cáceres, Angel Oshiro, María Positieri Grupo GinTeMac, Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Córdoba, Av. Cruz Roja Argentina Esq. Maestro López, Córdoba, Argentina RESUMEN En este trabajo se investiga la posibilidad de aprovechar residuos plásticos industriales, en especial polipropileno y polietileno, como agregado liviano en el hormigón de cemento Pórtland. El objetivo es una aplicación del residuo plástico como alternativa a los materiales aislantes que se encuentran actualmente en el mercado, valorizando de esta manera las propiedades de un material que actualmente se desecha. Para el diseño de las mezclas, se tuvieron en cuenta las características y propiedades del material reciclado, adoptándose un bajo contenido de cemento por metro cúbico de hormigón. En el plan experimental se evalúan propiedades tales como: conductividad térmica, resistencias mecánicas, deformación elástica y succión capilar. Se realizó también un análisis químico mediante cromatografía para verificar la presencia de desprendimiento de toxinas perjudiciales para la vida. Los resultados obtenidos con las mezclas estudiadas permiten brindar una solución técnica y además contribuir a solucionar una problemática en materia de gestión ambiental. Palabras clave: polipropileno, polietileno, reciclado, aislación térmica, agregado liviano.

2 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Origen del Problema Las costumbres y hábitos de consumo del hombre moderno nos permiten preveer que si no se controlan, se reducen, se transforman o reutilizan los materiales que actualmente se adquieren, en su mayoria plásticos o con componentes plásticos, estos se convertirán en una de las principales causas de degradación de la salud, disminución de las características productivas de los suelos, contaminación de las aguas y menores posibilidades de preservación de la flora y fauna. Los envases y envoltorios en donde se comercializan productos alimenticios tales como fideos, galletitas, alfajores, etc., presenta posibilidades de reciclaje y reutilización del material reciclado. Del análisis de la bibliografía y como resultado de estudios anteriores realizados por los autores es posible decir que la utilización de residuo plástico implica una problemática muy particular, ya que entre los residuos plásticos pueden existir más de siete variedades, según el polimero utilizado para su fabricación. La primer problemática que encontramos para reciclarlos es la mala, escasa o nula clasificación, lo cual dificulta aún más la separación en origen. Pero independientemente de ello, un estudio de mercado realizado en la Ciudad de Buenos Aires por DIAZ (2000) demostró que las empresas que utilizan scrap de plásticos, no sólo exigen una clasificación 100% perfecta, sino que prefieren utilizar scrap proveniente de fábricas y no procedentes de residuos domiciliarios ya que los residuos plásticos que proceden de una industria determinada tienden a ser homogéneos y no presentan problemas especiales para su reciclaje. Siempre existe un remanente de residuo plástico que no es aprovechable para ninguno de los usos conocidos actualmente tales como fabricación de mobiliarios de jardín, defensas para automóviles, vigas, postes, pallets, estacas, aglomerados, señales de tránsito, entre otros; su destino final es la incineración, la utilización como combustible alternativo o la disposición en enterramientos sanitarios, siendo esta última alternativa la menos deseada. El problema que se presenta es como minimizar el daño ambiental directo o indirecto, otorgando valor a los plásticos residuales. Es necesario plantear alternativas para su aprovechamiento y utilización con otros fines para los que no ha sido pensado inicialmente, verificando las características y requisitos que deben hacer apto el producto final para el nuevo uso. 1.2 Reutilización del material reciclado Si se considera que estos materiales (polipropileno y polietileno) tienen una densidad relativamente baja, del orden 0,9 g/cm 3, es posible fijar como objetivo la utilización de estos residuos como aislante térmico y su utilización como relleno no estructural en la construcción, utilizándolo, por ejemplo como agregado liviano en mezclas cementicias.

3 2. PROCESO DE IMPRESIÓN DE LOS ENVASES En la ciudad de Córdoba se encuentra emplazada una empresa que realiza la impresión de envases para alimentos que utiliza un film de polipropileno virgen como lámina base a la que se le adicionan tintas de 4 colores básicos para lograr el espectro de tonalidades requeridas; para fijar estas tintas una de las caras del film lleva incorporada un sellador. En la Fig. 1 se presenta un detalle del film de polipropileno. El proceso consiste en hacer pasar el film por un cilindro que tiene impreso el logotipo y datos del producto adicionándose las tintas en un proceso continuo, como se muestra en la Fig.1. El scrap se obtiene de las piezas defectuosas por puesta a punto de las máquinas al iniciar el proceso o fallas en la impresión por descalibración del equipo durante la impresión, también se consideran las piezas devueltas que no satisfacen al cliente. La producción mensual de la empresa es de 100 t, generándose un promedio del 10% de scrap, incluyendo el refiller. Figura 1: Film de polipropileno, cilindro impreso y proceso de impresión El scrap obtenido presenta actualmente dos posibilidades de disposición. a. Se lleva, sin tratamiento posterior, a una planta de enterramiento sanitario ubicada en Bower, una localidad distante a 30 km de la Ciudad de Córdoba. b. Se recicla, como se presenta en el punto PROCESO DE RECICLADO DEL RESIDUO Los residuos que se reciclan en Córdoba, en particular en la empresa de donde se extrajeron las muestras y que se utilizaron para este trabajo son: Polietileno: de baja densidad proveniente de bolsas en desuso. Polipropileno: proveniente del scrap industrial al realizar la impresión de propaganda en los envases para alimentos y golosinas, descriptos en el punto 2. Existen diversas tecnologías para el reciclado de los materiales plásticos. La planta de reciclado recicla los materiales estudiados de acuerdo con el siguiente proceso:

4 - Selección manual. - Trituración bajo chorro de agua. - Extrusión. - Granulado (posible adaptación a rigidez, fluidez, o color). El sistema se inicia con una selección manual de las bolsas de polietileno; luego se alimenta con esta materia prima la trituradora, se realiza la trituración y desmenuzamiento mediante calor y chorro de agua; luego el material se transporta hasta un recipiente donde se distribuye y enfría. Una vez enfriado el material es introducido en la extrusora que ablanda el material convirtiéndolo en rolos de plástico. El material sale caliente y es transportado en un medio refrigerante, luego se lo introduce en un molino donde se tritura hasta la forma final, para ser envasado y suministrado como materia prima. El proceso se ilustra en la Fig. 2. Figura 2: Selección manual, material triturado y desmenuzado, extrusora y sistema de enfriamiento. 4. DESARROLLO EXPERIMENTAL Para el desarrollo del plan experimental se diseñaron tres mezclas de hormigón incorporando tres tipos de agregados reciclados, dos de polipropileno y uno de polietileno, material disponible en la planta recicladora mencionada anteriormente. Se evalúan las propiedades de los materiales y propiedades de las mezclas en estado fresco, tales como consistencia, aspecto superficial, grado de terminación; y en estado endurecido propiedades mecánicas y elásticas, propiedades vinculadas a la durabilidad y conductividad térmica MATERIALES Cemento Se utilizó como aglomerante Cemento Pórtland con filler calcáreo CPF40. Según el protocolo este cemento verifica los requisitos de la Norma IRAM Agua Se utilizó agua potable de red de distribución, que verifica los requisitos de la Norma IRAM 1601.

5 4.1.3 Agregado Fino El agregado fino empleado es una arena gruesa silícea de origen natural, extraída del Río Suquía; se realizaron ensayos de caracterización que se presentan en la Tabla 1 y la Fig. 3. Tabla 1: Propiedades físicas del agregado fino Propiedad Física Resultado Peso específico sss [kg/dm 3 ] 2,63 Absorción [%] 0,80 Módulo de finura 3,08 REPRESENTACION GRAFICA PASANTE (%) ,15 0,30 0,60 1,18 2,36 4,75 LIMITE "A" LIMITE "B" MUESTRA 9,50 TAMICES [mm] Figura 3: Curva granulométrica del agregado fino y curvas límites según norma IRAM Agregado reciclado plástico Se evaluaron las propiedades de tres materiales plásticos reciclados identificados como muestras 1, 2 y 3, que se presentan en la Fig. 4. Figura 4: muestra 1, muestra 2 y muestra 3

6 Muestra 1 La muestra 1, procede del proceso productivo de impresión de film de polipropileno; está integrada por polipropileno agrumado y extrusado; una característica importante es que durante el proceso de tamizado se observa dificultad de separar las partículas por tamaño, ya que las más pequeñas quedan adheridas al tamiz. En la Tabla 2 se indican las propiedades físicas y en la Fig. 5 la distribución granulométrica del agregado reciclado. Tabla2 : Propiedades físicas de la muestra 1 (polipropileno reciclado) Propiedad Física Resultado Peso específico [kg/dm 3 ] 0,88 Módulo de finura 5,29 REPRESENTACION GRAFICA % PASANTE LIMITE "A" LIMITE "B" MUESTRA 0,60 1,18 2,36 4,75 9,5 13,2 TAMICES [mm] Fig. 5 : Curva granulométrica de muestra 1 y curvas límites según IRAM Como ensayo de caracterización se realizó además una cromatografía determinándose la presencia de los solventes: metil etil cetona, acetato de etil, etanol, en cantidades muy pequeñas, no perjudiciales para la vida humana. Muestra 2 La muestra 2 tiene el mismo origen que la muestra 1. En la Tabla 3 se indican sus propiedades físicas en la Fig. 6 su distribución granulométrica. Se presenta una diferencia de densidad entre la muestra 1 y la muestra 2; ésto se puede atribuir a diferencias en la materia prima reciclada. Las muestras 1 y 2 actualmente no se comercializan.

7 Tabla 3 : Propiedades físicas de la muestra 2 (polipropileno reciclado) Propiedad Física Resultado Peso específico [kg/dm 3 ] 0,84 Módulo de finura 5,08 REPRESENTACION GRAFICA % PASANTE LIMITE "A" LIMITE "B" MUESTRA ,60 1,18 2,36 4,75 9,5 13,2 TAMICES [mm] Muestra 3 Fig. 6 : Curva granulométrica de la muestra 2 y curvas límites según IRAM La muestra 3 es polietileno que se obtiene reciclando bolsas plásticas en desuso, según se especificó en el punto 3. En la Tabla 4 se indican sus propiedades físicas y en la Fig. 7 su distribución granulométrica. Tabla 4 : Propiedades físicas de la muestra 3 (polietileno reciclado) Propiedad Física Resultado Peso específico [kg/dm 3 ] 0,91 Módulo de finura 4,83 REPRESENTACION GRAFICA % PASANTE ,15 0,30 0,60 1,18 2,36 4,75 9,5 LIMITE "A" LIMITE "B" MUESTR A TAMICES [mm] Fig. 7 : Curva granulométrica del agregado reciclado muestra 3 y curvas límites según IRAM 1627.

8 Este material se vende como materia prima para ser reutilizada como polietileno destinado a la fabricación de diversos elementos plásticos como botellas de detergente y de aceites de automóviles, tuberías, juguetes, etc. 4.2 Dosificación. Se diseñaron tres mezclas con las mismas proporciones de materiales, variando únicamente el agregado reciclado. Se determinó un bajo contenido de cemento próximo a los 200 kg/m 3, con el objetivo de conseguir economía y debido a que no son determinantes los niveles de resistencia mecánica de las mezclas. Tabla 5 : Dosificaciones Dosificaciones Materiales [kg/m 3 ] Hormigón I Hormigón II Hormigón III Cemento Agua Agregado reciclado Agregado fino RESULTADOS 5.1 Hormigón en estado fresco Las mezclas I y II, al realizar el ensayo de asentamiento presentaron falta de cohesión, pero con un buen nivel de terminación; se determinó un asentamiento entre 6 y 7 cm, para ambos casos. Pero el aspecto presentado es semejante a una mezcla seca de hormigón compactado a rodillo. Las mezclas se presentaban homogéneas, sin exudación de agua. La mezcla III presentó mejor cohesión y buen nivel de terminación superficial; el asentamiento medido se determinó en 13 cm; la masa de hormigón se presentó homogénea, sin segregación de los materiales componentes, sin presencia de exudación de agua Hormigón en estado endurecido Luego de moldeadas las probetas, a las 24 horas, se desmoldaron y se colocaron en pileta de curado; a los 7 días se retiraron de curado y se dejaron secar al aire, en ambiente de laboratorio hasta la fecha de ensayo de 14 días. Los especimenes que se ensayaron a 28 días se extrajeron de la cámara de curado una semana antes de la fecha de ensayo. En la Tabla 6 se muestran los resultados de densidad de los hormigones en estado endurecido.

9 5.1.1 Propiedades mecánicas Tabla 6: Densidad de las mezclas de hormigón Hormigón Densidad [kg/m 3 ] I 1,265 II 1,104 III 1,399 En la Tabla 7 se presentan los resultados de ensayos de compresión promedio de por lo menos tres resultados de ensayo y los resultados de tracción por compresión diametral. Tabla 7: Resultados de ensayos de compresión y tracción por compresión diametral. ENSAYO Mezcla I Mezcla II Mezcla III Resistencia a compresión (14 días) [MPa] 1,40 0,85 2,27 Resistencia a compresión (28 días) [MPa] 1,70 1,33 2,92 Resistencia a tracción por compresión diametral. [MPa] 0,12 0,06 0, Propiedades elásticas Se determinó el módulo de elasticidad según la norma ASTM C 469, a los 28 días de edad; para la mezcla III los valores de módulo de elasticidad estático son del orden de 3 GPa Propiedades térmicas La determinación de la conductividad térmica en muestras de cada mezcla se está realizando en el CECOVI; las probetas consisten en especímenes prismáticos de entre 10 y 11 cm de lado y 5 cm de altura. En la Tabla 8 se presentan los resultados obtenidos para la mezcla III. Tabla 8 : Conductividad térmica ENSAYO Mezcla I Mezcla II Mezcla III Conductividad térmica En proceso En proceso [Kcal/h.m.ºC] Succión capilar Para evaluar parámetros de durabilidad y luego de observar la lenta eliminación del agua dentro de la masa de hormigón, se realizó el ensayo para determinar la capacidad

10 y la velocidad de succión capilar de agua del hormigón endurecido según norma IRAM Es necesario destacar que esta norma es recomendada para agregados y hormigones de masa y densidad normal, no existiendo normalización respecto de hormigones elaborados con los agregados empleados en este trabajo. Se ensayaron tres especimenes de 10 cm de diámetro y 5 cm de altura aserrados de probetas cilíndricas de 10 x 20 cm, por cada mezcla realizada. Los resultados obtenidos para las mezclas en estudio se presentan en las Tablas 9, 10 y 11. Tabla 9: Succión capilar para la mezcla I Succión capilar [g/cm 2 ] Muestra Tiempo [hs:min] Mezcla I 0:15 0:30 1:00 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 24 M1 A M1 B M1 C Tabla 10: Succión capilar p ara la mezcla II Muestra Succión capilar [g/cm Mezcla Tiempo [hs:min] II 0:15 0:30 1:00 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 24 M2 A M2 B M2C Tabla 11: Succión capilar para la mezcla III Muestra Su cción capila r [g/cm 2 ] Mezcla Tiempo [hs:min] III 0:15 0:30 1:00 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 24 M3 A M3 B M3 C ] 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS Propiedades Mecánicas En la Fig. 8 se presentan lo resultados de resistencia a compresión a 7 y 28 días; la evolución de la resistencia a compresión es menor en la mezcla I y muy similar entre las mezclas II y III. La mezcla III presenta un mejor comportamiento resistente a compresión. Los niveles de resistencia obtenidos en todas las mezclas son satisfactorios para el objetivo propuesto que es lograr mezclas de baja resistencia y económicas.

11 Resistencia Media [MPa] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Resistencia a Compresión vs Edad Mezcla I Mezcla II Mezcla III Figura 8: Resistencia a compresión vs edad 14 días 28 días En la Fig. 9, se presentan los resultados de resistencia a tracción por compresión diametral para las mezclas en estudio a la edad de 28 días; frente a las solicitaciones de tracción se constata un comportamiento similar entre las mezclas I y III y significativamente menor en las mezclas II. 0,14 Tracción por compresión Resistencia Media [MPa] 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 Propiedades elásticas 0 Mezcla I Mezcla II Mezcla III Figura 9: Resistencia a tracción por compresión diametral Si bien el ensayo de determinación del módulo de elasticidad estático se realizó considerando el procedimiento establecido por la norma ASTM C 469 para hormigones de masa normal, los resultados obtenidos presentan una dispersión en los valores; el análisis de estos resultados preliminares implica la continuación del estudio de las propiedades elásticas para definir el comportamiento del material.

12 Propiedades térmicas Las mezclas presentan un valor de conductividad térmica, similar a los paneles de cerramiento vertical que se utilizan en el Sistema Pentawall, según registro INTI de materiales para la construcción. La norma IRAM presenta valores de conductividad térmica para diferentes materiales, que se transcribe parcialmente en la Tabla 12. Tabla 12 : conductividad térmica para diferentes materiales (IRAM 11601) Material Densidad aparente Conductividad térmica [kg/m 3 ] [W/m.K] Hormigón con agregados pétreos ,63 Hormigón con poliestireno expandido ,35 Hormigón celular ,66 Tejas - 0,70-0,76 Laminado plástico termoestable ,49 Madera (arce, paralela a las fibras) 700 0,42 Madera dura ,34 Las muestras correpondientes a la mezcla III ensayadas en el CECOVI presentan valores de conductividad térmica entre 0,74 y 0,82 W/m.k para una densidad de kg/m 3 que si se comparan con los propuestos por la norma serían similares a los de una teja y con mejor comportamiento de aislamiento térmica que un hormigón convencional. Si bien es posible anticipar que el hormigón con material plástico reciclado es apto para los fines propuestos corroborando la hipótesis inicial de este trabajo, se considera necesario continuar con un estudio más exhaustivo del tema. Succión capilar Según algunos autores como FERNADEZ LUCO (2001), DI MAIO (2004) y HELENE (2000), actualmente hay una fuerte tendencia a encontrar métodos que permitan evaluar aquellas propiedades de los hormigones que se encuentran directamente relacionados con su durabilidad que en la mayoría de los casos depende de manera directa de la facilidad con la que los agentes agresivos ingresan y se mueven en el interior de la estructura porosa del hormigón. La succión capilar es un parámetro que nos permite establecer condiciones de transporte de líquido dentro de la masa del material y a partir de allí establecer parámetros de durabilidad. En la Fig. 10 se presentan los resultados de succión capilar a las 24 horas. Se puede observar que la succión obtenida en la mezcla III resulta menor que las mezclas I y II; este comportamiento podría atribuirse a que el tamaño de las partículas de los agregados plásticos reciclados es menor y proporciona una estructura más cerrada en la que probablemente su comportamiento relacionado con la durabilidad sea mejor.

13 Succión Capilar (24 horas) 0,8 Succión capilar (g/cm2) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Mezcla I Mezcla II Mezcla III Figura 10: Succión capilar para las mezclas en estudio. 6. CONCLUSIONES Para los materiales empleados y las mezclas realizadas con agregados reciclados plásticos se obtienen buenas propiedades mecánicas y elásticas, satisfactorias propiedades térmicas y un buen comportamiento frente a la succión de agua. Se ha observado capacidad para retener agua dentro de la masa de hormigón una vez que se retiraron las probetas de curado; esta característica debería estudiarse con mayor profundidad. El avance realizado en los estudios permite proponer una alternativa de utilización de los agregados plásticos reciclados ya que además de la ventaja de poseer menor densidad que los hormigones convencionales presentan mejores características de conductividad térmica; se debe considerar que a los fines de completar el estudio se están procesando resultados de ensayo. Un aspecto importante a destacar es asegurar la disponibilidad en stock de los materiales reciclados para asegurar la continuidad de la provisión. También es necesario asegurar la homogeneidad del material reciclado para minimizar una variación significativa en las propiedades finales de las mezclas. Los estudios experimentales encontrados en la bibliografía disponible sobre hormigones con materiales plásticos reciclados son escasos, por lo que se considera importante la continuidad de las investigaciones. En la literatura se encuentran algunos trabajos en los que se menciona la importancia de buscar alternativas dentro del marco tecnológico a la gestión de estos residuos plásticos propiciando la protección de la salud, mejorando la relación con el medio ambiente, presentando una alternativa a los modelos de tratamiento actuales. Por último, resulta importante fomentar cambios culturales tanto en el sector industrial como en el público consumidor.

14 7. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA Bilodeau, A., Kodur V.K.R., G.C. Ho. C CANMET, Optimización del tipo y cantidad de fibras de polipropileno para prevenir la spalling del hormigón liviano sujeto a fuego de hidrocarburos, Natural Resources Canada, 405 Rochester Street, Ottawa, Canada K1A 0G1 IRC, National Research Council, M- 59 Montreal Road, Ottawa, Canada K1A 0R6 Ho. Consulting LLC, 250 Saddlewood Lane Clinton, MS 39056, USA. Año Diaz, Gabriel C.A. Tesis de licenciatura, Universidad Católica de Salta. Gestión integral de residuos sólidos domiciliarios para grandes ciudades. Año Di Maio, A. Técnicas y Ensayos de Evaluación de Estructuras afectadas por patologías. Jornada de Patologías de la Estructuras de Hormigón Armado. LEMIT, La Plata. Año Fernández Luco, L. La durabilidad del hormigón: su relación con la estructura de poros y los mecanismos de transporte de fluidos. En Durabilidad del hormigón estructural, Autoeditor, La Plata, Provincia de Buenos Aires. Año Helene, P. Durabilidad. Interpretación y evaluación de resultados. En Manual de Diagnosis e Intervención en Estructuras de Hormigón Armado. Col.legi d Aparelladors i Arquitectes Tècnics de Barcelona. Año Noumowe, A. L2MGC, Propiedades mecánicas y microestructura del hormigón de alta perfomance conteniendo fibras de polipropileno expuesto a temperaturas superiores a 200ºC Civil Engineering Department, University of Cergy-Pontoise, 5, mail Gay Lussac, Neuville sur Oise, Cergy-Pontoise, France. Publicación de la Cement & concrete research, Año Oshiro, Positieri, Cáceres, Lopez, di Gioia, Fernández: Contribución al reciclado de residuos en la construcción: hormigones realizados con materiales no tradicionales. Simposio fib 2005 Volumen 2 ISBN , pag. 793 a 800. Año Oshiro, Positieri, Cáceres, Lopez, di Gioia, Fernández: Utilización de residuos sólidos no biodegradables en el hormigón de cemento pótland - 3º Encuentro PROCQMA Carlos Paz Año Songa, P.S., Hwang, S.,. Sheub, B.C. Propiedades mecánicas del hormigón reforzado con fibras de nylon y polipropileno. Department of Civil Engineering, Dahan Institute of Technology, Sincheng, Hualien 971, Taiwan, R.O.C. Department of System Engineering, Chung Cheng Institute of Technology, National Defense University, Dashi, Taoyuan 335, Taiwan, R.O.C. Publicación de Cement & Research, Año Taus, Valeria L., Di Maio, Angel A., Traversa Luis P. Determinación de la absorción capilar en hormigones elaborados con agregados naturales y reciclados. Publicación Nº10. Ciencia y Tecnología del Hormigón-LEMIT. ISSN Año RECONOCIMIENTOS Los autores agradecen a las empresas Sipack Digital y Reciclados Córdoba por la provisión de materiales y el acceso a las plantas. Al Grupo CECOVI de la Universidad Tecnológica Santa Fe por los ensayos de conductividad térmica realizados en las muestras, muy especialmente a la Ing. María Fernanda Carrasco y María Leticia Franzoy.