La generación de residuos poliméricos no biodegradables se ha convertido en una preocupación que representa una amenaza por los impactos negativos sobre el medio ambiente y la salud humana (Mohajerani et al., 2018;Tafheem et al., 2018; Nematzadeh et al., 2020). Esta problemática ha presentado un incremento considerable en las últimas décadas debido a la creciente fabricación de productos para satisfacer las nuevas demandas del mercado y un ciclo de vida cada vez menor de los artículos de consumo (Feng et al., 2015;Bodzay y Banhegyi, 2017; Shubbar y Al-Shadeedi, 2017), lo que conlleva la acumulación de grandes volúmenes de estos residuos en corto tiempo, causados por los sistemas de gestión insuficientes, incapacidad de apreciar el valor potencial, falta de incentivos de mercadeo ecológico, poca responsabilidad ante eventos de contaminación, falta de educación ambiental y deficiencias en los sistemas tratamiento y disposición final. Sumado a lo anterior se tiene el agotamiento de los recursos naturales a un ritmo cada vez mayor, consecuencia del rápido desarrollo urbanístico mundial (Dong et al., 2018; Pittau et al., 2018). Las investigaciones realizadas en los últimos años muestran un aumento en la producción de concreto, de lo que se deduce una mayor demanda en la utilización de materiales y en la generación del volumen de residuos, ocasionado afectaciones al medio receptor.

En la industria de la construcción, el concreto es uno de los materiales más utilizados, con estimaciones anuales a nivel mundial que oscilan entre 2500 y 3000x10⁶t de cemento (Wang et al., 2017; Nadimalla et al., 2019; Li et al., 2020) y de 10x10⁶t en Colombia (Acevedo y Posada, 2019) que requieren elevados volúmenes de minerales y energéticos (Jaivignesh y Sofi, 2017). Ningún material de construcción ha sido usado en estas proporciones; analizando la visión de futuro, no parece interesar otros materiales que compitan con el concreto en magnitud de volumen.

Los recursos utilizados en el concreto incluyen aproximadamente tres cuartas partes de su volumen en agregados pétreos para su producción (León y Ramirez, 2010). En consecuencia, es necesario desarrollar nuevos materiales, que logren disminuir su alto consumo, haciendolos más sostenibles. Se han realizado esfuerzos para estudiar el uso de residuos poliméricos no biodegradables, reemplazando los agregados pétreos (Acevedo y Posada, 2019; Mustafa et al., 2019;Nadimalla et al., 2019; Almeshal et al., 2020) y el cemento (Martinez et al., 2015) en el concreto, analizando las propiedades del material, los efectos, las ventajas y desventajas pontenciales. Las nuevas tecnologías e innovaciones en el uso de los residuos poliméricos no biodegradables cada vez son más frecuentes, por el agotamiento y el sobrecosto de algunos recursos minerales, la accesibilidad y el cumplimiento de normativas ambientales.

Las políticas de sostenibilidad, innovaciones ecológicas, e investigaciones ambientales mencionadas han permitido avanzar en una nueva forma de construir reduciendo el consumo de energía, bajando los costos de producción, mejorando la flexibilidad, versatilidad, así como la preocupación social, haciendo este sector cada vez más sensible y motivado para promover una economía circular que convierta los residuos poliméricos en un material secundario que se puede volver a introducir en el sistema (Díaz et al., 2017; Lozano et al., 2018; Spósito et al., 2020), y para usar en nuevos componentes y productos, con una funcionalidad diferente. La economía circular del post-consumo promueve el reciclaje de los desechos convirtiéndolos en nuevos componentes y productos con funcionalidades similares o inferiores (Flores et al., 2014;Hahladakis y Iacovidou, 2019), alejándose de la economía lineal donde se produce, utiliza y desecha (Payá et al., 2015; Hahladakis y Lacovidou, 2019; Spósito et al., 2020).

Frente a estas expectativas, la presente revisión tiene como propósito describir las metodologías para el reciclaje de residuos poliméricos no biodegradables, como adición al concreto para las fabricaciones no estructurales, de tal manera que contribuya en el análisis de las estrategias de valorización e innovación para la reutilización de este material en la industria de la construcción.

Clasificación de los Residuos Poliméricos no Biodegradables

Los poliméricos son uno de los recursos de consumo más comunes, presentan propiedades químicas, mecánicas, ópticas y térmicas excepcionales, que están estrechamente relacionadas con su diversificación, versatilidad, alto rendimiento, ligereza, durabilidad, flexibilidad, resistentes al calor, corrosión y bajo costo, en comparación con otro tipo de materiales (Coreño y Méndez, 2010; Shubbar y Al-Shadeedi, 2017). Se utilizan y desechan con mucha facilidad, tienen diversas características de interés, conferidas por el tipo de enlace entre macromoléculas, los ángulos, longitudes y disposición espacial que integran las miles unidades estructurales repetidas. La heterogeneidad de los plásticos tiene una influencia en las tasas de reciclaje y les confiere una amplia gama de aplicaciones en diferentes campos como materia prima. Según su clasificación, pueden presentarse diversas categorías, de las cuales se describirán tres: termoplásticos, termoestables y elastómeros, teniendo en cuenta sus características (Peters, 2015; Jaiswal y Mishra, 2019).

Los termoplásticos se caracterizan por un bajo módulo de elasticidad, resistencia tensil y una elongación que oscila entre 20-800%. Las fuerzas intermoleculares y las barreras de rotación carbono-carbono son altas, lo que aumenta sus propiedades mecánicas, las cadenas conservan suficiente flexibilidad. Pueden ser semi-cristalinos o amorfos, y entre los más empleados están el polietileno, poliestireno, polipropileno, politereftalato de etileno, poliésteres, epóxicas y policarbonatos (Flores et al., 2014; Peters, 2015; Jaiswal y Mishra, 2019). Cuando se someten a esfuerzo en la región elástica las láminas se desplazan entre sí, en las cadenas carbonadas de las zonas intermedias amorfas, y al dejar de aplicar el esfuerzo regresan a su lugar, antes del punto de cadencia en donde las láminas se rompen en secciones pequeñas, venciendo algunas fuerzas intermoleculares.

Los elastómeros se caracterizan por su elevada elasticidad, fácil deformación, cadenas flexibles y presentar elongaciones reversibles hasta 500-1000% a esfuerzos relativamente bajos. Estas características se deben a las bajas fuerzas intermoleculares, así como a las barreras de rotación, lo que permite que las cadenas adopten diversas configuraciones; cuando existen entrecruzamientos químicos o físicos entre las cadenas debido a su alto peso molecular, los elastómeros tienden a regresar a sus dimensiones originales, al retirar el esfuerzo que origina la deformación (Peters, 2015;Jaiswal y Mishra, 2019). Entre los más empleados se encuentran el caucho natural o vulcanizado, el neopreno, poliuretano estireno, butadieno, polibutadieno y poliisoprenos (Albano et al., 2008; Sofi, 2018; Li et al., 2019, 2020; Lara et al., 2020).

Los termoestables o termo-endurecidos se caracterizan por su rigidez, con moderada resistencia tensil elongaciones pequeñas (<0,5-3%); son estructuras entrecruzadas con poca flexibilidad y fragilidad si se usan en estado puro, infusibles e insolubles que mediante la presión y la temperatura se reblandecen y pueden moldearse en su fase fluida una sola vez y antes de que la reacción de polimerización haya finalizado por completo. Ejemplos de ellos son resinas fenólicas, ureicas, epoxi, melanina epóxica y melamina, formaldehído (Coreño y Méndez 2010; Peters, 2015;Jaiswal y Mishra, 2019).

La utilización adecuada de estos residuos requiere un aprovechamiento sostenible con medidas ambiciosas para invertir la tendencia donde el mayor volumen de residuos sea reciclado y no dispuesto en rellenos sanitarios y botaderos satélites, a partir de cambios disruptivos en el modelo de producción y consumo lineal para avanzar hacia un modelo más circular. En los últimos años, se estima que los residuos poliméricos en la mayoría de los casos son dispuestos en vertederos en un 51%, incinerados en un 27% y cerca del 22% son reciclados (Shubbar y Al-Shadeedi, 2017;Bodzay y Banhegyi, 2017;Saikia y Brito, 2014); sin embargo los procesos de aprovechamiento representados por el menor porcentaje no es sostenible en el tiempo en muchas ocasiones (Ignatyev et al., 2014;Hahladakis y Lacovidou, 2019;Li et al., 2020) representando una enorme carga ambiental debido a la no-degradabilidad.

Diversas investigaciones han evaluado el desempeño del reciclaje de los residuos poliméricos no biodegradables en comparación con la incineración y la disposición en vertederos, demostrando el ahorro neto de energía resultante (Moon et al., 2017;Lamnatou et al., 2018), una reducción en las emisiones de gases y material particulado (Bhogayata et al., 2012; Sofi 2016; Peng et al., 2017), una disminución de los efectos de acidificación y nitrificación de las agua superficiales (Mattsson et al., 2015; Park et al., 2015;Sposito et al., 2020;Thakur et al., 2020), entre los análisis que intentan contribuir en el debate de la viabilidad técnica del reciclaje.

Propiedades del Concreto

En términos generales, los resultados de varios estudios concuerdan en que los residuos poliméricos no biodegradables incorporados en el concreto, no siempre mejoran las resistencias mecánicas, pero sí logran extender la vida útil y otras propiedades, tales como el aislamiento térmico, flexibilidad, capacidad de ajuste, bajos costos de producción y naturaleza ligera, entre otros. Se han desarrollado diferentes procesos a fin de obtener un tamaño del material residual óptimo para las sustituciones de los agregados pétreos del concreto con aplicaciones en la industria de la construcción; las técnicas de molienda pueden producir partículas según las especificaciones requeridas, y los más frecuentes oscilan entre 1,5 y 3,5mm, como se evidencia en la Tabla I. En la actualidad se alcanzan reducciones hasta tamaños <0,1mm a través de diferentes tecnologías, mejorando la cohesión entre las partículas para sustituir el agregado fino y en forma parcial el cemento.

Propiedades Frescas

Trabajabilidad

La trabajabilidad, que determina el esfuerzo requerido para manipular cierta cantidad de mezcla de concreto fresco fácil de manejar y contraer sin un riesgo apreciable de segregación, ha sido evaluada por diferentes autores, demostrándose que disminuye debido al aumento de la formas irregulares y no uniforme de las partículas y el volumen de los termoplásticos en la mezcla de cemento (Rahmani et al., 2013; Kumar et al., 2015;Coppola et al., 2016;Akinyele y Ajede, 2018; Mustafa et al., 2019).

En ese mismo orden Ahmad (2017) demostró que el concreto con residuos elastoméricos de hasta el 60% muestra una buena capacidad de trabajo, y Gupta et al. (2014) y Bisht y Ramana (2017) mostraron que la trabajabilidad del concreto con elastómeros disminuye gradualmente al aumentar el porcentaje y el tamaño de partícula. Por ello se plantea que estos agregados deben estar bien graduados y con proporciones de mezcla bajas para mejorar su capacidad de fluidez y los requerimientos de agua (Thomas y Gupta, 2016;Mendis et al., 2017; Aiello y Leuzzi, 2010.

Propiedades Endurecidas

Densidad seca

Al analizar la densidad seca en las diferentes investigaciones donde se determina la relación entre la masa del concreto y el volumen absoluto de la misma, se evidencia una relación inversa entre ésta y el contenido de agregado polimérico, tal como lo reportan Wasan y Khalaf (2017), quienes encontraron que la densidad seca del concreto que contiene agregado grueso de residuos termoplásticos disminuye a medida que se aumenta el contenido de reemplazo, lo cual posiblemente es debido a la fórmula angular que contribuye a la formación de grandes cavidades en el concreto y también a la baja gravedad específica de los termoplásticos en comparación con los agregados gruesos naturales. En ese mismo orden, Kumar y Baskar (2015) afirman que las densidades tienden a disminuir debido a la diferencia de peso y volumen entre termoplástico y agregados gruesos, mientras Gupta et al. (2014) indican que esta reducción es inversamente proporcional al porcentaje de reemplazo de los residuos elastómeros, por su bajo peso unitario, razón por la cual el concreto recubierto de elastómero presenta bajas densidades.

Resistencia a la compresión

Al revisar la capacidad del concreto con residuos poliméricos para resistir las cargas de aplastamiento antes de llegar a la rotura se encuentran diferentes hallazgos que oscilan entre 3 y 110MPa. En las investigaciones de Shubbar y Al-shadeedi (2017), Wasan y Khalaf (2017), Acevedo y Posada (2019), Aswatama et al. (2018), Nadimalla et al. (2019) y de Venitez et al. (2020) se reportó una disminución de la resistencia a la compresión con contenidos que oscilan entre el 2,5 y 50% de residuos termoplásticos como reemplazo de agregados pétreos en comparación con el concreto de referencia, como se muestra en la Tabla II. Frente a lo anterior, Muthadhi et al. (2017),Wasan y Khalaf (2017),Tafeem et al. (2018) y Almeshal et al. (2020) indican que esta reducción puede atribuirse a la disminución de la resistencia adhesiva entre la superficie del polímero de sustitución y la mezcla de cemento. Además, de Muthadhi et al. (2017), Shubbar y Al-shadeedi (2017), Thafeem et al. (2018) y de Venitez et al. (2020) lo consideran un material hidrófobo, por lo que esta propiedad puede restringir la entrada de agua necesaria para la hidratación del cemento a través de los poros durante el proceso de curado.

En otros estudios se reportan resultados contrarios a los anteriores. Shubbar y Al-shadeedi (2017), Nadimalla et al. (2019) y Venitez et al. (2020) reportaron un aumento de la resistencia a la compresión en el concreto con 1 a 10% de residuos termoplásticos como reemplazo de agregados pétreos. Lo anterior posiblemente es debido al bajo contenido de agregado sustituido, que no altera las fuerzas internas de las estructuras. En las investigaciones de Sofi, (2018) y Nakhai et al. (2020) se reportan sustituciones con residuos de elastómeros donde las resistencia a la compresión es inversamente proporcional al porcentaje de reemplazo, las disminuciones son consideradas resultado de la textura de la mezcla de cemento, que al ser más suave ocasiona un rápido desarrollo de grietas alrededor de las partículas durante la carga y esto conduce a una falla rápida de las muestras. También es atribuido a las fuerzas intermoleculares entre estas partículas y la mezcla de cemento.

Resistencia a la flexión

Los esfuerzos máximos a los que se somete el concreto con agregados poliméricos justo antes de agrietarse o romperse en los ensayos de flexión, de 0,4 a 23MPa, reportados por Pereira y Castro, (2011), Saikia y Brito (2014),Azhdarpour y Nikoudel (2016), Özbay et al. (2016),Almeshal et al. (2020) y Akinyele y Ajede (2018), mostraron que esta resistencia aumenta con el porcentaje de sustitución. Los ensayos fueron realizados con reemplazos que oscilan entre 0,4 y 10% de termoplástico, indicando que cuando la cantidad de agregado plástico en el concreto aumenta la flexión, la resistencia a la tensión disminuye (Saikia y Brito 2014). Contrario a lo anterior, Rai et al. (2012) y Nadimalla et al. (2019) revisaron la influencia de la sustitución de varias formas y volúmenes de agregados termoplásticos en la resistencia a la flexión del concreto, evidenciando una disminución, a pesar de trabajar con porcentajes similares que oscilan entre 5 y 15% de agregado termoplástico.

Cuando se reemplaza el agregado pétreo por residuos de elastómeros, se observa un aumento en la resistencia a la flexión (Gupta et al., 2014;Farfan y Leonardo, 2018; Nazer et al., 2019) en una relación directamente proporcional en sustituciones de 2,5 a 10%, lo cual es atribuido al efecto de relleno del agregado que produce una zona de transición más densa, homogénea y estrecha, evidenciado en la Tabla II. Por el contrario, Sofi (2018) observa en las pruebas de flexión una reducción de la resistencia del elastómero al reemplazar el agregado grueso en lugar del fino. Las razones de la disminución seguramente se deben a la textura de la mezcla, dando como resultado el desarrollo de grietas alrededor de las partículas durante la carga, lo que conduce una rápida falla de las muestras por la distribución no uniforme de los esfuerzos entre las partículas, en comparación con las mezcla de cemento y el agregado natural.

Rendimiento y Durabilidad

Absorción de agua

Las variaciones en la absorción de agua en el concreto en relación a la incorporación de residuos poliméricos oscilan entre 0,65 y 16,2% (Tabla II) guardando una relación directamente proporcional (Colangelo et al., 2016;Poonyakan et al., 2018; Akinyele et al., 2020; Arulrajah et al., 2020; Nakhai y Alhumoud, 2020). La absorción aumenta con la cantidad de residuos incorporados en el concreto, causando más porosidad. Las influencias de los agregados de elastómeros presentaron un comportamiento similar a los termoplásticos, demostrado por las investigaciones de Gupta et al. (2014), Bisht y Ramana (2017) y Youssf et al. (2017), quienes relacionan incremento con el porcentaje de reemplazo de partículas de elastómeros. Para complementar lo anterior, Hilal (2011) y Pedro et al. (2013) encontraron que solo el 5% de agregado de elastómeros con partículas <2mm logran disminuir la absorción de agua, toda vez que los porcentajes que oscilan entre el 10 y 15% de este contenido aumentan la capacidad de absorción de agua, tomando como referencia el contenido y tamaño del agregado, que deben ser considerados factores fundamentales para la absorción de agua del concreto.

Contracción por secado

En el efecto de la contracción por secado se evidencia una menor rigidez y mayor flexibilidad con la incorporación de los agregados poliméricos, ocasionado por la modificación de la porosidad, reduciendo las restricciones longitudinales internas y mejorando las tasas de pérdida de agua por capilaridad. Autores como Li et al. (2020) indicaron en su revisión que el reemplazo de agregado pétreo con residuos termoplásticos causó un cierto aumento en la contracción. La razón principal del incremento es la baja rigidez y la alta compresibilidad que ofrecen una restricción insignificante hacia el movimiento. Mientras, autores como Silva et al. (2013) afirman que estos agregados la reducen independientemente del tamaño de las partículas (1-11,2mm) en sustituciones menores al 15%, en comparación con el concreto convencional; aunque el módulo de elasticidad del agregado polimérico es menor, relacionan la reducción con su hidrofobicidad, que en consecuencia deja más agua libre disponible para la hidratación. Lo anterior es atribuido al volumen de agua absorbido por los agregados, el cual es menor debido a la naturaleza impermeable de los termoplásticos; como resultado, se dispone de más agua libre para hidratar el cemento, lo que condujo a valores más bajos de contracción.

Resistividad eléctrica

La calidad y durabilidad del concreto fueron analizadas en el trabajo de Li et al. (2019), quienes observaron que la incorporación de partículas en polvo y fibras de elastómeros aumentan la resistividad eléctrica del concreto en 5 a 20% cuando se reemplaza un volumen de cemento, presentando ventajas en la ductilidad y resistencia; ventajas que le permiten ser empleado como material de construcción en áreas de daños sísmicos, vías ferroviarias electrificadas modernas y barreras acústicas. Por el contrario, los estudios de Si et al. (2017) y Mohammed y Abdul (2019) evidenciaron un incremento en la resistividad eléctrica del concreto al incorporarle mayor contenido de agregado pétreo y consideraron que el aumento puede estar relacionados con la menor capacidad de transporte del agregado de elastómeros. Autores como Li et al. (2019) reportan una disminución a nivel superficial y el volumen en un 51 y 48% respectivamente cuando se reemplaza el cemento por estos agregados. La reducción es atribuida al contenido excesivo de elastómero particulado, que causa numerosas estructuras de panal; en forma adicional se analizan los pretratamientos con hidróxido de sodio, donde las modificaciones exhibieron reducciones de la resistividad, que deben seguir siendo analizadas con otras sustancias químicas como cloruro de calcio, hidróxido de calcio y cloruro de sodio para conocer su efectividad. Por otra parte, Si et al. (2017) recomiendan que las relaciones de reemplazo no sean superiores al 50% para evitar la disminución de resistividad; Li et al. (2020) indican que los agregados poliméricos son un aislante, que aumenta la resistividad eléctrica del concreto; y Nili et al. (2014) informan que aumentos significativos pueden estar relacionada con el efecto de relleno del agregado plástico, haciendo que el concreto sea más denso y en consecuencia aumente la conductividad.

Resistencia a la congelación y descongelación

Los ensayos de las incidencias de heladas y deshielo incorporando los polímeros, así como la viabilidad y las ventajas del uso de éstos fueron llevados a cabo por Wang y Meyer (2012), quienes indican que los termoplásticos en forma de espuma expandida se usan ampliamente como agregado para mejorar la resistencia a la congelación y descongelación; Kan y Demirboga (2009) demostraron que el concreto era más susceptible al deterioro cuando se emplean agregados gruesos en comparación del reemplazo con finos; y Guo et al. (2018) observaron que se mejora a medida que el componente relativamente blando puede proporcionar espacio extra para la expansión del agua durante la congelación. Girskas y Nagrockiene (2017) demostraron la relación directa del reemplazo, y las de Paine et al. (2002) destacaron los efectos positivos, con respecto a la resistencia al hielo y deshielo en función del volumen, el tamaño y el tratamiento previo del agregado, en comparación con el concreto normal.

Conclusiones

La estrecha relación entre las propiedades y la estructura de los polímeros residuales hace posible diseñar concretos para aplicaciones tecnológicas con requerimientos de desempeño específicos, como sustitutos de otros materiales; su comportamiento en determinadas condiciones se puede anticipar cuando se conoce la estructura química.

La trabajabilidad de la mezcla disminuye ligeramente con sustituciones parciales. En ocasiones se presenta un aumento en los requerimientos de agua por las propiedades hidrofóbicas de los polímeros facilitando la capacidad de fluidez, según la forma, tamaño y volumen de las partículas.

La resistencia a la compresión se reduce, como es de esperarse, siendo los mejores reemplazos aquellos menores al 15%. Sin embargo, ello no quiere decir que estos sean los reemplazo más adecuados, siendo conveniente analizar el beneficio ambiental que se ofrece, toda vez que las estructuras que contienen entre 30-50% en volumen de estos agregados residuales clasifican como concreto no estructural y estructural ligero.

La porosidad, absorción de agua y conductividad térmica presentan una disminución en el concreto con contenidos 5%, y en los casos que se registran aumentos, estos fueron influenciados por el tamaño y forma de las partículas sustituidas, las fuerzas de unión entre partículas, la zona de transición interna y la humectabilidad de la superficie hidrofóbica. El peso unitario fresco y seco de las muestras de concreto también se reduce hasta en un 4%, generando influencia en la trabajabilidad, densidad, rendimiento mecánico y durabilidad con una relación inversamente proporcional al volumen adicionado.

Adicionalmente, se demuestra que la incorporación de los polímeros mejora la flexión, resistividad eléctrica, durabilidad, resistencia a la congelación y descongelación, comportamiento dúctil, reduce la formación y propagación de grietas, siendo interesante para varias aplicaciones ingenieriles, en el intento por promover la sostenibilidad ambiental, logrando aportar en la búsqueda de diseños óptimos para un mayor desempeño en las condiciones estáticas y dinámicas, como instrumentos económicos que buscan potenciar la innovación y las buenas practicas.

APROVECHAMIENTO SOSTENIBLE DE RESIDUOS POLIMÉRICOS COMO AGREGADOS DEL CONCRETO: UNA REVISIÓN

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Notas de autor

nnfuentes@uniguajira.edu.co