RECICLAJE DE RESIDUOS PLÁSTICOS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGREGADOS LIVIANOS

RECYCLING PLASTIC WASTE TO PRODUCE LIGHTWEIGHT AGGREGATES

Cada vez es mayor la preocupación sobre la contaminación ambiental que producen los residuos plásticos. Estos poseen baja degradabilidad y afectan a la biósfera, encontrándose partículas plásticas en peces y aves de ecosistemas marinos (Azzarello y van Vleet 1987, Miranda y de Carvalho-Souza 2016). En 2012 se generaron 1300 millones de t/año de residuos, y se espera que para 2025 aumenten a aproximadamente 2200 millones t/año. De todos estos residuos, la fracción correspondiente a plásticos constituye un 12 % a nivel global (Kaza et al. 2018).

Entre las posibilidades de valorización de los residuos plásticos se encuentra la de utilizar agregados de plástico reciclado como reemplazo total o parcial de agregados naturales. Esta alternativa es de interés debido a que el hormigón es uno de los materiales de construcción de uso más extendido en el mundo y consume grandes cantidades de materia prima y energía para su fabricación (Hossain et al. 2018). Además, las mezclas livianas generan mejores condiciones de aislamiento térmico y acústico, con la consecuente reducción en el consumo energético para acondicionamiento térmico de las construcciones (Mercante et al. 2018).

Las características de los agregados son muy influyentes en las propiedades de los materiales compuestos. Una buena compacidad, obtenida mediante una adecuada graduación granulométrica, con una secuencia continua de tamaños de las partículas, mejora la resistencia y disminuye el consumo de pasta de cemento. La textura superficial también influye en la resistencia debido a la adherencia entre la pasta de cemento y el agregado. Asimismo, la forma de las partículas de los agregados influye en la docilidad de la mezcla en estado fresco: las partículas más redondeadas producen mezclas más trabajables. Por el contrario, aquellas con forma plana y alargadas dificultan el mezclado (Chan 2003). Los agregados naturales suelen ser más resistentes que la pasta de cemento, lo que no ocurre con agregados livianos como los plásticos. Además, la adherencia entre el plástico y la pasta de cemento es baja, ya que el primero es hidrófobo (Ismail y al-Hashmi 2008, Frigione 2010, Saikia y de Brito 2012). Por este motivo, se ha investigado cómo dotar al agregado de plástico de textura superficial para mejorar la adherencia con la pasta de cemento, mediante procesos de calentamiento y mezclado con otros materiales (Choi et al. 2015). También se puede mejorar la forma de las partículas mediante procesos de calentamiento, extrusión y cortado para obtener gránulos (pellets) (Saikia y de Brito 2013).

Utilizando la información recabada en el estudio de antecedentes bibliográficos se procuró detectar, conocer y visitar organizaciones involucradas en la cadena de reciclaje de plástico a nivel local (Mendoza, Argentina) para tomar muestras en ellas. Se visitaron y muestrearon cuatro industrias en distintos puntos de sus líneas productivas, y se estudiaron las operaciones de transformación de residuos. El origen de los plásticos residuales correspondientes a las muestras tomadas fue: 1) recortes y descartes industriales, 2) residuos sólidos urbanos dispuestos y recolectados en forma diferenciada y 3) residuos sólidos urbanos dispuestos en forma mezclada y recuperados por trabajadores de cooperativas dedicadas al reciclaje.

Las muestras se analizaron según los criterios y métodos descritos a continuación:

1. 1. Tipo de plástico: mediante consultas a los técnicos de cada organización. Se categorizaron como PET, PP, PVC, PEAD, PEBD, puras o mezcladas. En el caso de muestras mezcladas se realizó un proceso de separación en etapas por flotación, combinando agua destilada y etanol en distintas proporciones a temperatura constante de 20 ºC. En primer lugar, se realizó un lavado inicial para eliminar el polvo y la suciedad. A continuación, se secaron las muestras en estufa a 40 ºC hasta obtener un peso constante, registrando la medida de peso seco total. Luego se sometieron al proceso de separación graficado en la figura 1 y se pesaron las fracciones separadas, también secas en estufa hasta obtener un peso constante. El porcentaje de cada fracción de plástico se calculó como el cociente entre el peso seco de esa fracción y el peso total de la muestra seca.
   
   Fig. 1
   Método de flotación para la identificación de las fracciones de plásticos.
   

2. 2. Proceso de producción: mediante visitas a las plantas, entrevistas y registros de las operaciones aplicadas en el proceso de reciclaje en cada industria.
3. 3. Morfología: cualitativamente, señalando si las partículas tenían forma de laja o eran poliédricas o esferoides; si tenían bordes redondeados, asociados con tratamientos térmicos, o angulosos, relacionados con el corte y la trituración. También si la textura era lisa o rugosa.
4. 4. Densidad real: mediante el principio de Arquímedes. Se utilizó una probeta graduada de laboratorio, se pesó el recipiente vacío (MR) y luego el recipiente con la muestra de agregados (MR+A). Posteriormente se añadió un fluido de densidad conocida (agua destilada o etanol 96 vol., según el caso) y se eliminaron los vacíos. Finalmente, se pesó el recipiente con agregados y agua (MR+A+W) y se registró la medida del volumen ocupado por la mezcla (VA+W). La densidad real se calculó como:
   $$\rho =\frac{M_{R+A}-M_R}{V_{A+W}-(M_{R+A+W}-M_{R+A})/ {\rho }_f}$$

   donde ρ es la densidad real (kg/m³), M_R+A la masa del recipiente con agregado [kg], M_R la masa del recipiente vacío (kg), M_R+A+W la masa del recipiente con agregado y agua (kg), V_A+W el volumen de la mezcla de agua y agregado (m³) y Ρ_f la densidad del fluido empleado (agua 998 kg/m³, etanol 797 kg/m³).

5. 5. utilizando los tamices establecidos en la Granulometría y tamaño máximo nominal del agregado: según la metodología indicada en la norma 1505 del Instituto Argentino de Normalización y Certificación (IRAM) y norma 1501-2 que se presentan en el cuadro II (IRAM 2005, IRAM 2002). El análisis granulométrico de los agregados de plástico se comparó con los límites establecidos en la norma 1567 (IRAM 2008). El tamizado se hizo con tamizador mecánico hasta constatar que la diferencia de pesadas, tras un minuto de agitación, no fuera significativa (< 0,3 %).
   CUADRO II
   TAMICES PARA EL ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO.
   
   

6. 6. Conductividad térmica, tensión de fluencia en tracción y módulo de elasticidad: fueron obtenidos de la bibliografía (Mark 2007), estimando el valor en función de la composición porcentual de cada tipo de plástico cuando se trató de muestras de plásticos mezclados.

El tipo de resina se estudió para conocer las variedades de plástico que se reintroducen en el sistema mediante reciclaje. Por otra parte, la morfología influye en la docilidad de las mezclas, dado que las partículas redondeadas tienden a facilitar la compactación y fluidez de los morteros y hormigones, en tanto que las angulosas producen el efecto contrario. A su vez, las partículas en forma de lajas generan planos de discontinuidad y se asocian con menor resistencia mecánica (Mercante et al. 2018). Por otro lado, la textura de las partículas se asocia con la adherencia entre los agregados y la pasta de cemento. En cuanto a la densidad y granulometría, éstas constituyen datos indispensables para realizar una dosificación racional de mezclas de cemento con agregados de plástico y atañe a la aplicación de los resultados de este trabajo en la práctica. Asimismo, las propiedades termomecánicas son útiles para predecir el comportamiento del material en servicio, tanto desde el punto de vista del confort higrotérmico como del desempeño estructural.

Se obtuvieron ocho muestras de agregados de plástico producidos por cuatro industrias diferentes, las cuales pueden observarse en la figura 2 junto con una escala graduada en centímetros. La muestra A corresponde al producto final de una industria que recicla restos, descartes y recortes industriales de PP para producir gránulos. Dentro de este mismo proceso se tomó también la muestra G, correspondiente al material luego de la etapa de trituración. Ambas muestras se caracterizan por ser de plásticos de alta pureza no contaminados con otras sustancias poliméricas y no poliméricas, por lo que pueden emplearse para fabricar los mismos productos en sus industrias de origen. Las muestras B, C y F corresponden a otra planta que recicla botellas de bebidas PET postconsumo, recogidas en forma selectiva en puntos de eliminación exclusivos para plástico. La uniformidad de colores de las muestras B y F responde a una clasificación previa que se realiza con el fin de mejorar las características de los productos reciclados (cabe aclarar que esta clasificación no sería necesaria para la utilización del material como agregado). La muestra C corresponde a las tapas y etiquetas de las mismas botellas, que se separan mediante flotación luego de ser trituradas. Las muestras D y H se obtuvieron de una planta municipal que tritura y recicla todo tipo de residuos plásticos captados mediante recolección selectiva y sistemas de eliminación diferenciada. Por último, la muestra E se elabora en otra industria a partir de bolsas y descartes industriales de PEBD y PP.

En el cuadro III se presentan las sucesivas operaciones del proceso de reciclaje y se indican con cruces las asociadas con cada muestra. La columna de clasificación se refiere a la separación manual del plástico de otros materiales, remoción de plásticos con contenidos perjudiciales (e.g., aceites o sustancias tóxicas), clasificación por colores y selección de tapas u otras partes de los objetos a reciclar. También se indicaron las operaciones de acondicionamiento de piezas de gran tamaño mediante corte, guillotinado o aserrado, generalmente necesarias para evitar obstruir y dañar los equipos de trituración. Se entendió por trituración el método para reducir el tamaño de estos residuos, generalmente mediante equipos mecánicos de cuchillas. El lavado consideró todas las técnicas para remoción de impurezas adheridas a las partículas, que en los casos en estudio se realizó mediante sumersión en piletas de lavado con agua a 70 ºC y detergentes alcalinos. Esta etapa también incluyó el enjuague y secado. La separación incluyó diferentes métodos físicos como la flotación para separar plásticos de distintas densidades y separación magnética para extraer metales. Por último, el granulado consideró el calentamiento, extrusión, corte y enfriamiento necesarios para la producción de gránulos.

Todas las muestras pasaron por alguna operación de clasificación y trituración, mientras que sólo A y G requirieron aserrado (en la misma planta industrial). A, B, C y F fueron lavadas y B, C y F fueron sometidas a separación por flotación y/o magnética. Sólo la muestra A fue granulada. A consecuencia de la operación de lavado, las muestras A, B, C y F resultaron limpias y libres de polvo. La muestra G no requirió lavado para estar limpia, ya que provenía de descartes industriales que no estuvieron mezclados con otros residuos.

En todos los casos debería realizarse una evaluación ambiental de los procesos de reciclaje para determinar la conveniencia del más adecuado y facilitar su elección. En este sentido, la metodología de análisis de ciclo de vida (ACV) suele ser la herramienta más utilizada (Napolano et al. 2016).

Las características de las muestras analizadas se muestran en el cuadro IV, a excepción de la granulometría y el tamaño máximo nominal de las partículas.

La mayoría de las muestras tuvo forma de lajas o de hojuelas con bordes angulosos, asociada con la forma de los envases que se reciclaron y el proceso de trituración, respectivamente. Por otro lado, la muestra A se compuso de partículas esferoides con bordes redondeados y la muestra G presentó una mezcla de partículas con forma de lajas y poliédricas. Por último, todas las muestras presentaron una textura lisa, con excepción de la G, que fue levemente rugosa debido a las marcas dejadas por la sierra y la cuchilla.

Si bien las muestras presentaron densidades reales similares (925-1100 kg/m³), las propiedades termomecánicas tuvieron una variación más abrupta. La conductividad térmica, que debe considerarse para modelar el comportamiento higrotérmico de los edificios que se construyan con estos agregados, se encontró en el rango de 0.12 a 0.37 W/m K. El módulo de elasticidad se encontró en el rango de 0.4 a 3 GPa y la tensión de fluencia entre 24 y 58 MPa. Estos últimos pueden provocar caídas en la resistencia a la compresión y menor rigidez en el hormigón.

Los siguientes análisis se enfocaron a la distribución por tamaño de las muestras. En la figura 3 se presenta el resultado del tamizado para la muestra F y en el cuadro V el tamaño máximo nominal (TMN) de cada muestra. Utilizando el valor del TMN se eligieron las curvas límites superior e inferior, según indica la norma 1567 (IRAM 2008).

El análisis granulométrico de los agregados A, B, C, E y F se presenta en la figura 4 . Todos ellos compartieron los mismos límites y ninguno los satisfizo. Se puede observar la presencia de tamaños bastante uniformes en cada agregado, siendo los más uniformes y pequeños los de la muestra F y los más grandes los de la muestra B. La uniformidad ocurrió como resultado de un proceso muy controlado de trituración, granulado o corte en las industrias de reciclaje. Para adecuarse a la norma podría proponerse una mezcla de los distintos agregados analizados, combinándolos a fin de obtener una curva ubicada dentro de los límites; o bien, variar el proceso de producción, por ejemplo, triturando fracciones del material en distintos tamaños y luego mezclándolas de forma conveniente para completar los tamaños faltantes que permitan lograr una distribución más continua.

Las muestras D y H estuvieron comprendidas en la categoría de agregado grueso, por lo que les correspondieron límites diferentes a los anteriores. Las curvas del análisis granulométrico y los límites se presentan en la figura 5. El agregado D se adecuó a los requerimientos normativos y presentó una buena graduación. Esto puede deberse a que fue elaborado mezclando distintos tipos de plásticos y envases, lo que condujo a diferentes tamaños en la trituración, asimismo, a que el origen de los residuos reciclados fue más diverso. Por su parte, la muestra H excedió el límite superior de partículas que pasan el tamiz núm. 4 (4.75 mm de abertura) en 11 puntos porcentuales.

La muestra G correspondió a un agregado más grueso que los anteriores. Las curvas se presentan en la figura 6. Este agregado también se adecuó a los requerimientos normativos.

La utilización de las mezclas que no satisficieron los requisitos normativos quedaría relegada a la obtención de granulometrías más ajustadas.

El estudio de antecedentes bibliográficos develó carencias en la caracterización de los agregados de plástico reciclado y una preferencia por el estudio del PET. En este trabajo se analizaron ocho muestras de diferentes tipos de plásticos (PET, PP, PEAD, PEBD y mezclas) provenientes de cuatro industrias de reciclaje locales (Mendoza, Argentina). Se pudo concluir que:

• Todas las muestras fueron sometidas a clasificación y trituración. Estas dos operaciones básicas permitieron obtener partículas asimilables a agregados. Algunas de ellas también requirieron aserrado, lavado y separación, y una sola fue granulada. La mayoría de las muestras tuvo forma de hojuelas con bordes angulosos, debido a que provinieron de recipientes triturados.

• Los procesos de reciclaje más controlados (aquellos con uniformidad de la materia prima residual, tiempos de trituración estandarizados, operaciones de extrusión y granulado, etc.) arrojaron partículas de tamaños uniformes, mientras que aquellos con menos tecnología de control y con residuos de diferentes orígenes produjeron agregados con tamaños mejor distribuidos.

• Sólo dos de las muestras (D y G) cumplieron con los límites granulométricos normativos, aunque la granulometría del resto de las muestras podría ajustarse mediante mezclas de distintos agregados (e.g., con una mezcla de proporciones adecuadas entre B [cuyos tamaños van principalmente de 2 a 10 mm] E [0.8-4 mm] y F [0.5-2 mm]) o variando el tamaño de los granos de una misma muestra con distintos niveles de trituración.

• Particularmente la mezcla G presentó partículas poliédricas, limpias y con leve rugosidad para un proceso muy simple de reciclaje. Sin embargo, al no provenir de residuos sólidos urbanos, sino de descartes industriales, su producción es baja y difícilmente sería aprovechable en la industria de la construcción, además de que es más interesante para un reciclaje primario por la alta calidad del plástico que no se ha contaminado con otras sustancias poliméricas y no poliméricas.

• Si bien las densidades de las muestras fueron similares, las propiedades termomecánicas (conductividad térmica, módulo de elasticidad y tensión de fluencia) tuvieron una variación más abrupta que debe tenerse en cuenta al momento de diseñar y evaluar el comportamiento de los elementos constructivos en servicio.

• Es de interés completar el perfil ambiental de las organizaciones dedicadas al reciclaje de residuos plásticos con metodologías de análisis de ciclo de vida para la toma de decisiones con información ambiental de calidad.

A la Universidad Nacional de Cuyo, Secretaría de Investigación, Internacionales y Posgrado y a la Secretaría de Políticas Universitarias, por el financiamiento otorgado. Al Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas.