Current Situation of Plastic and its Recycling as Material for Rural Construction

La economía circular y climáticamente neutra de los plásticos utiliza y gestiona este tipo de materiales de forma sostenible. En estos días, existe una excesiva acumulación de desechos plásticos y su reciclaje se ha vuelto primordial. El tereftalato de polietileno (PET) y polipropileno (PP) son unos de los plásticos que más se consumen y más desechos generan. Una solución para repeler estos desechos es reciclarlos en materiales para la construcción. En el presente trabajo tuvo como objetivo el desarrollo de un material híbrido entre plástico reciclado tipo PET y PP; y material árido para utilizarse como adoquín en pisos de construcciones rurales. Se obtuvieron las mejores combinaciones para adoquines, presentando valores de compresión entre 20 y 25 Mpa y de flexo-tracción de ± 10 Mpa que son equiparables a adoquines y bloques de hormigón o concreto, pero con un peso mucho menor. El porcentaje de absorción de agua y humedad, obtenido fue de ≤ 1%, el cual se encuentra dentro de los límites permisibles bajo la NORMA ECUATORIANA INEN 3040 para adoquines de hormigón y la NORMA EUROPEA UNE EN 1338 para prefabricados de cemento y hormigón. Obteniendo materiales livianos, resistentes y a bajo costo que pueden servir como una opción a los materiales convencionales de construcción.

I. INTRODUCCIÓN

Los plásticos son materiales que han acompañado al ser humano desde hace mucho tiempo atrás y su producción ha aumentado a medida que la demanda de este material ha ido creciendo. Este hecho se ha evidenciado en diferentes áreas en las que el plástico ha sido requerido, como la industria alimentaria, automotriz, de la construcción, utensilios médicos; y de uso diaria entre otros. Solo en el año 2021, la producción mundial de plásticos aumentó un 4% más que el año anterior, hasta superar los 390.7 millones de toneladas, tras un estancamiento en 2020 debido a la pandemia de Covid-19 lo que demuestra la fuerte y continua demanda de este material (Plastics Europe, 2022).

A nivel mundial China es el país que mayor cantidad de plástico genera, representando el 32% de la producción, seguido de Estados Unidos, el resto de Asia y la Unión Europea. Latino América produce tan solo un 4%. De estas cifras se puede citar que el 90.2% es plástico de origen fósil, 8.3% es de plástico reciclado y un 1.5% corresponde a bioplásticos (Plastics Europe, 2022).

A pesar de la creciente preocupación de activistas ambientales en relación con la contaminación mundial por plástico, se prevé que la demanda de este tipo de materiales siga aumentando. En 2021, el sector del envasado tubo la mayor cuota con un 44%, seguido de la edificación y la construcción (18%), la automoción (8%), la electricidad y la electrónica (7%), el hogar, el ocio y el deporte (7%), agricultura, ganadería y jardinería (4%), y otros (12%), como se muestra en la Figura 1. Esto se atribuye un estilo de vida moderno, a el consumismo y al hecho de que aún no estamos totalmente consciente del problema que está generando la acumulación indiscriminada de plástico en todo el mundo (Jouyandeh et al, 2023) (Tiseo, 2021).

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Sin embargo, no todo es negativo en el mundo de los plásticos, existen iniciativas de manejo de residuos que necesitan apoyo por parte de diferentes entidades públicas y privadas, ya que las tasas de reciclaje a nivel mundial aún son bajas. La falta de tecnología, la mala gestión de recursos, la falta de programas coherentes y procesamiento incompleto de estos plásticos han hecho que este problema se acentúe (Darko et al, 2023) (Jung et al, 2023).

Debido a esto el reciclaje de plásticos representa una opción implacable para lograr una producción cero residuos y climáticamente neutra que exija una inversión e innovación por parte de la cadena de valor de los plásticos para desarrollar nuevos modelos de negocio para su reutilización. Logrando así emplear una mayor cantidad de plástico reciclado para el desarrollo de nuevas tecnologías que dependan menos de materiales de origen fósil y contribuyan a la reducción de la acumulación de desechos plástico en botaderos, rellenos sanitarios, bosques, ríos, etc.

Dado que el reciclaje mecánico de plásticos requiere menos capital y recursos, podría ser una opción de gestión de residuos adecuada, en especial en países en desarrollo como Ecuador. Una estrategia importante para consumir este material de desecho es su reciclaje en proyectos de construcción rural, al poseer una buena resistencia mecánica, barrera eficaz contra los gases, resisten a la corrosión, ser ligeros, fáciles de instalar, termosellables y están disponibles a bajo costo, lo que los hace ideales para la fabricación de diversos productos en esta área. (Naveena & Sharma, 2020), (Jouyandeh et al, 2023).

En la construcción, los plásticos abundan en cañerías, revestimientos, pisos, aislamiento, paneles, puertas, ventanas, cristales, unidades de baño, rejas, barandillas y una lista cada vez mayor de aplicaciones tanto estructurales como interiores o decorativas. Sin embargo, las construcciones rurales a diferencia de las urbanas deben cumplir condiciones muy específicas que están determinadas por su entorno, factores socio culturales y rubros que se exploten. Es así, que las viviendas que ocupan las familias forman un conjunto indisoluble con las instalaciones agrícolas y pecuarias.

Brindando así, una amplia gama de oportunidades para nuevas instalaciones relacionadas a la explotación de la tierra, la crianza de animales domésticos, terrazas, embalses, corrales, sistemas de riego, depósitos para guardar alimentos, silos para conservar granos, áreas en donde el uso de recursos inocuos como materiales elaborados a base de plástico reciclado podrían tener cabida.

Con la presente investigación se pretende suplir una necesidad para pisos en construcciones rurales brindado un material inocuo, ligero, de bajo costo, resistente a la humedad, con propiedades físico mecánicas óptimas para ser utilizados en una versatilidad de áreas tanto para vivienda como otras instalaciones de explotación pecuaria y agrícola. Se empleó dos tipos de residuos plásticos: polipropileno (PP) y polietileno tereftalato (PET) mezclado con materiales áridos para la elaboración de eco-adoquines.

El proyecto se realizó dentro del convenio macro entre el Centro Integral de Manejo de Residuos Sólidos del Municipio de Loja-Ecuador y la Universidad Nacional de Loja-Ecuador para tratar de generar conciencia en la factibilidad de uso de mariales de desecho para la elaboración de nuevos materiales, contribuyendo a la disminución de contaminación por plástico, a la utilización de recursos naturales y promoviendo la economía circular.

II. MATERIALES

La ciudad de Loja-Ecuador cuenta con un sistema de recolección y clasificación de basura realizada por el Municipio de Loja por lo que las botellas y envases de polipropileno (PP) y polietileno tereftalato (PET) se obtuvieron del Centro Integral de Manejo de Residuos Sólidos administrado por dicha entidad gubernamental. Los áridos finos y gruesos se obtuvieron de la Cantera Yamba, parroquia Malacatos, cantón Loja-Ecuador. El Alcohol etílico (70%) se compró en Sigma-Aldrich para limpieza de los plásticos.

III. MÉTODOS

3.1 Obtención y preparación de las materias primas

Las botellas y envases de plásticos de tereftalato de polietileno (PET) y polipropileno (PP) se recogieron del Centro de Manejo Integral de Residuos Sólidos del Municipio de Loja-Ecuador. Como se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Centro de Manejo Integral de Residuos Sólidos del Municipio de Loja

Una vez recolectados fueron llevados al Centro de Investigación y Servicio de Análisis Químico CISAQ de la Universidad Nacional de Loja, donde se clasificaron, lavaron y secaron. El lavado de los desechos plásticos se realizó con agua destilada, jabón y alcohol etílico al 70% con tres repeticiones para evitar que cualquier impureza quede adherida a la superficie del material. Luego los desechos plásticos se esparcieron sobre una superficie plana y se secaron a temperatura ambiente ± 21°C durante 48 horas.

3.2 Proceso de trituración de los residuos plásticos

Para el proceso de trituración del material plástico se utilizó un triturador de aspas que está conformado por una tolva o boca de entrada, un motor, un rotor de aspas y un tamiz o criba. El tamiz es colocado para permitir el paso de los trozos más pequeños de plástico resultados del proceso de trituración. Los tamaños de la criba se muestran en la Tabla 2. El triturador de plásticos se muestra en la Figura 3.

Tabla 2: Tamaño de partícula de plástico

Figura 3: Triturador de aspas de plásticos Current Situation of Plastic and its Recycling as Material for Rural Construction

Una vez que el material fue triturado, se sometió a un proceso de secado en estufa durante 24 horas o hasta alcanzar un porcentaje de humedad ≤ 1%.

3.3 Elaboración de los eco-adoquines

Para la elaboración de los eco adoquines se utilizó un proceso de extrusión, que permite modelar y fundir el plástico a flujo constante de presión y fuerza. Para el proceso se utilizó un extrusor de tornillo sin fin, que consta de una tolva para el ingreso del material, un motor, un rotor, un cilindro o cañón, un tornillo sin fin de 100 cm de largo, un cabezal y una boquilla de diámetro variado; como se muestra en la Figura 3. El proceso de calentamiento se realizó a través de dos resistencias eléctricas ubicadas al exterior del cañón, conocidos también como calefactores. Se estableció un rango de temperaturas de trabajo entre 160°C a 260°C tomado en cuanta la temperatura de fusión de ambos polímeros.

Figura 3: Extrusor de plásticos

Primero, se realizaron pruebas preliminares de mezclas entre el plástico reciclado tipo PET, polímero muy frágil y quebradizo y el polipropileno PP, material con una mayor flexibilidad luego del recalentamiento. Las mezclas se realizaron en las siguientes proporciones como se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3: Proporción de mezcla de plásticos PET y PP para elaboración de eco-adoquines

Cada una de las mezclas se realizaron por duplicado y se evaluaron en función de su porcentaje de absorción de agua, humedad, densidad, resistencia a la compresión y resistencia a la flexo-tracción. A partir de los resultados obtenidos se seleccionó la proporción 50:50% y se combinó con diferentes tamaños del material árido en tres proporciones: 75:25% , 50:50% y 25:75% . Para cada tratamiento se realizaron dos repeticiones de cada una y se analizaron las cinco variables anteriormente mencionadas.

La recolección de los áridos finos y gruesos se realizaron en la cantera Yamba del Barrio Malacatos, Cantón Loja-Ecuador. Las muestras para la realización del proyecto se tamizaron y lavaron, para evitar la presencia de impurezas en las misma. Adicional a este tratamiento los áridos se sometieron a un proceso de secado en estufa durante 24 horas o hasta alcanzar un porcentaje de humedad ≤ 1%. Se trabajó con cuatro tamaños diferentes de partícula como se muestra en la Tabla 4.

Tabla 4: Tamaño de partícula de los áridos

Una vez obtenidas las mezclas fundidas en las distintas proporciones se colocaron en moldes y se prensaron, garantizando la ausencia de burbujas. Las piezas se dejaron enfriar a temperatura ambiente y posteriormente se sumergieron en agua fría C.

Los moldes se elaboraron a partir de acero inoxidable y tuvieron las dimensiones recomendadas por la NORMA NTE-INEN para la elaboración de probetas para análisis físico-químicos de bloques y adoquines.

3.4 Variables de estudio

3.4.1 Resistencia a la compresión (C)

La resistencia a la compresión es el esfuerzo máximo que puede soportar un material bajo una carga de aplastamiento, la cual se calcula dividiendo la carga máxima por el área transversal original de una probeta en un ensayo de compresión. En la presente investigación se realizó el ensayo de la resistencia a la compresión bajo la norma española UNE 41410.

3.4.2 Índice de absorción total de agua (AA)

El porcentaje de absorción de agua se medió a través de la NORMA NTE INEN 3040. Este método consiste en la impregnación con agua de la probeta (M ), y luego la suspensión de la misma en un recipiente con agua durante 24 horas. Se seca el agua superficial de la probeta y se toma su peso (M ), posterior a esto, se coloca la probeta en la estufa a 100°C durante 24 horas y se vuelve a realizar la lectura del peso (M ).

El índice de absorción de agua se expresa relacionando la diferencia del peso de la probeta saturada menos el peso de la probeta seca contra el peso de la probeta seca, expresado en porcentaje. Para calcular la absorción de agua se utiliza la siguiente formula.

es la masa de la unidad sumergida (kg),

3.4.3 Resistencia a la flexión y carga de rotura a temperatura ambiente (±21C°), frío (±10C°) y calor (±30C°). (RF)

El ensayo de tracción por flexión consiste en la aplicación de una fuerza vertical (P) a una velocidad definida al centro de la muestra colocada horizontalmente sobre dos soportes (L) hasta llegar a la rotura de la misma (F). La fórmula para obtener el valor de la resistencia al flexo tracción es la siguiente:

Donde:

F= resistencia flexo Tracción (Mpa)

P= Carga de rotura (N)

L= luz entre soportes (mm) b= ancho de la baldosa (mm)

h= espesor de la baldosa (mm)

3.4.4 Contenido de humedad (H)

Para calcular el contenido de humedad de la unidad entera al momento en que se determina la masa recibida (cuando se mide ) se utiliza la siguiente formula.

En dónde;

es la masa de la unidad tal como se recibe (kg),

es la masa de la unidad saturada (kg),

es la masa de la unidad seca al horno (kg).

El cálculo anterior del contenido de humedad solo es aplicable a la unidad entera al momento en que se determina la masa tal como se recibe,

3.4.5 Densidad (ρ)

Para calcular la densidad de la unidad seca al horno se utiliza la siguiente formula:

En dónde;

es la masa de la unidad seca al horno (kg).

es la masa de la unidad sumergida (kg)

IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1 Tamaño de partícula del plástico

Para la elaboración de los eco-adoquines, se seleccionó el tamaño de diámetro de partícula de plástico de 0,25 mm. La selección de este tamaño se debió al ser el óptimo para trabajar dentro del rango de temperaturas durante el proceso de fusión del PET (260°C) y PP (160°C) para la formación de los eco adoquines, evitando que descomposición de los plásticos durante el calentamiento y garantizando la conservación de sus propiedades físico-mecánicas y termo-elásticas.

Figura 5: Eco-adoquines en sus diferentes proporciones plástico: árido

a.

b. Figura 4: Residuos plásticos a. polietileno tereftalato (PET) y b. polipropileno (PP) 4.2 Caracterización del eco-adoquín

La proporción de mezcla utilizada de los dos tipos de plástico para la elaboración de los eco-adoquines fue 50:50% al soportar mayor carga ante el esfuerzo a la compresión y flexo-tracción.

Esta proporción se combinó con cada tamaño del material pétreo en tres proporciones: 75:25% PLÁSTICO: ARENA, 50:50% PLÁSTICO: ARENA y 25:75% PLÁSTICO: ARENA. Para cada tratamiento se analizaron cinco variables y se realizaron dos repeticiones de cada una. En la Figura 5 se muestran los eco-adoquines en sus diferentes proporciones plástico: árido.

A través de la determinación del porcentaje de absorción de agua, se pudo observar que todas las proporciones presentan un índice de absorción de ± 1%, el cual se encuentra dentro de los límites permisibles bajo la NORMA ECUATORIANA INEN 3040 para adoquines de hormigón utilizados para pavimento vigente desde el año 2016 que es menor al ≤6%. Así mismo la NORMA EUROPEA UNE EN 1338 para prefabricados de cemento y hormigón manifiesta que el límite adecuado es hasta ≤ 6% de resistencia climática o absorción de agua. Una absorción de agua menor que el 6% asegura una buena resistencia a bajas temperaturas y heladas. Dando como resultado que todas las combinaciones de eco-adoquines son aptas para soportar las solicitaciones requeridas en el diseño y asegurar una vida útil óptima. Los resultados se muestran en la Tabla 5.

Dentro de las construcciones agrícolas un porcentaje bajo de absorción de agua puede garantizar su uso para instalaciones como galpones, naves para almacenamiento, silos, tanques, canales conductores para riego y sistemas de riego. Un bajo porcentaje de absorción de agua determina el buen manejo de los pisos dentro de las instalaciones pecuarias y un menor esfuerzo por parte del agricultor.

Al ser la tierra una de los materiales más utilizados en los pisos de construcciones agrícolas, los eco-adoquines elaborados a partir de plástico reciclado pueden llegar a ser una alternativa económica e inocua para el mejor manejo de la finca. Pisos con cisco para evitar deslizamientos del ganado en los corrales y que a su vez absorben humedad, los cuales deben cambiarse periódicamente pueden ser sustituidos por materiales plásticos. Este tipo de eco-adoquín puede representar una alternativa a las rampas plásticas u otros materiales que pudieran salir costosas para los pequeños productores por ejemplo en la ceba de cerdos.

Tabla 5: Índice de absorción de agua (AB), densidad (ρ) y Humedad (CH%)

El ensayo de densidad formó parte del ensayo de absorción de agua. La densidad de los eco-adoquines (Tabla 5) influye directamente en su grado de resistencia frente a factores como el peso, el roce o la abrasión y depende directamente de los materiales y proporciones que fueron elaborados. En el caso de los eco-adoquines se pudo observar que los valores de densidad fueron similares al presentar una densidad ± 1,900 a pesar del diferente tamaño de agregado de arena.

Esto puede deberse a que el peso y la cantidad del agregado (árido) influyen en el valor final de la densidad de los eco-adoquines. Al presentar un menor peso que equivale a un menor tamaño de partícula del agregado árido, permite incorporar una mayor cantidad de este material al eco-adoquín, mientras que, si el tamaño de partícula del agregado se vuelve más grande y pesado la cantidad que se incorpore al eco-adoquín es menor. Por lo que existe una relación inversa relacionada al tamaño de partícula y la cantidad de material árido por adoquín. Haciendo que la densidad de las diferente proporciones de plástico:árido sea similar. En la Tabla 6. Se muestra los resultados de los análisis de densidad de los eco-bloques en proporciones 50:50% PLÁSTICO: ARENA en los cuatro tamaños de partículas.

Realizando una comparación de los valores de densidad obtenidos en los eco-adoquines y los bloques de hormigón que van desde los 2200 – 2400 (kg/m ), se puede observar que los eco-adoquines pueden ser aptos para construcciones rurales presentando ventajas al ser más livianos y con un alto nivel de resistencia a factores climáticos y externos (calor, frío, etc), durabilidad de la estructura, adaptabilidad de formas y eliminar riesgos de sufrir deformaciones.

A través de los análisis de compresión y flexo tracción (Tabla 7) se pudo analizar que los eco-bloques presentan una buena resistencia a la compresión, presentando valores entre 18 y 25 MPa, estos datos indican que la resistencia a la compresión es independientemente a las proporciones de plástico reciclado y árido. Además, la variación de tamaño de partícula no afecto a la resistencia a la compresión. Siendo la proporción de material árido pequeño (±3 mm) la que obtuvo valores de resistencia a la compresión más altos de 22.8MPa, 23.05 MPa y 25,07 MPa para las tres proporciones: 75:25% PLÁSTICO: ARENA, 50:50% PLÁSTICO: ARENA y 25:75% PLÁSTICO: ARENA respectivamente.

La resistencia a la flexión en los eco-bloques se encuentra en un rango de 4.27 MPa y 11.55 MPa, según los datos obtenidos se deduce que los eco-bloques con mayor porcentaje de plástico reciclado poseen valores de resistencia a flexión más altos. Esto se pudo observar en temperatura ambiente ( ), frío ( ) y calor ( ). Los datos obtenidos superan los establecidos en la norma española UNE 127022 para baldosas de hormigón, donde menciona que la resistencia mínima es de 3.5MPa

Según Fernández y Vilela en su estudio de resistencia a flexión de baldosas peatonales de mortero reforzado con plástico reciclado obtuvo un promedio de resistencia a la flexión de 3.66 MPa, tomando los datos a los 28 y 56 días. En un estudio de resistencia a la flexión en baldosas esmaltadas expuestas a ciclos de hielo y deshielo Flórez, Pedroza y Quintero obtuvieron un valor promedio de 24.7 MPa en cada ciclo evaluado.

Tabla 7: Resistencia a la compresión (RC) y Resistencia a la flexión y carga de rotura a temperatura ambiente ( ), frío ( ) y calor ( ). (RF)

V. CONCLUSIÓN

Las obras que sirven al sector agropecuario son todas las construcciones e instalaciones que se requieren para el desarrollo de una adecuada actividad, el eco-bloque elaborado de material plástico de desecho y áridos, constituye un material pre fabricado puede ser utilizado para instalaciones pecuarias y construcciones agrícolas y debe ser estudiando a profundidad por su incidencia en la vida del agricultor y conservación del ambiente.

Además, a través de los estudios realizados se establece dentro de parámetros de seguridad y economía y sobre la base de criterios de preservación ambiental que la mejor combinación se observó para la mezcla de PET:PP 50:50%, con un tamaño de partícula de (±3 mm) en sus tres proporciones 75:25% PLÁSTICO: ARENA, 50:50% PLÁSTICO: ARENA y 25:75% PLÁSTICO: ARENA

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