Integración de PET reciclado a flexión en un elemento constructivo de concreto

Introducción

Descripción del problema

El trabajo que aquí se presenta parte de la necesidad de dar seguimiento a las diversas investigaciones relacionadas con el uso del PET reciclado, así como proponer un sistema de autoconstrucción que permita evitar la disposición final del desecho de PET en rellenos sanitarios y/o basureros.

Se han elaborado diversos esfuerzos por instituciones como el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente (ITESO), donde se han desarrollado proyectos para la integración de botellas PET en muros de carga, como los mostrados por Espinosa (2016) y Macías (2017), dando evidencia de un área de oportunidad para el desarrollo económico, social y ambiental, al reducir los costos de construcción en la generación de su propia infraestructura mediante la recolección del PET y disposición final como material de construcción.

No obstante, la integración de materiales reciclados conlleva a la reducción del control de calidad del material a recuperar, puesto que el origen de los materiales reciclados proviene de diferentes productores enfocados en otra finalidad; ahí radica la principal problemática: la transformación y adecuación del material recuperado a un sistema constructivo eficiente.

Justificación

De acuerdo con el Boletín núm. 3469 de la lxiii Legislatura de la Cámara de Diputados: “En México, 90 millones de botellas de plástico de refrescos y agua son lanzados a la vía pública, ríos y mares” (H. Congreso de la Unión, 2017).

Lo que muestra la relevancia que tiene para el Gobierno de la República generar acciones para la disposición de este desecho. Por lo que podemos darnos cuenta que el PET se ha convertido en uno de los principales desechos sólidos que encontramos en nuestro país; tomando las estadísticas de Ávila, Campos y Encarnación (2013), en México el 65.8% de los desechos de envases para refrescos son de este tipo de material, consecuentemente, somos uno de los principales consumidores de refresco, encontrándonos entre los primeros lugares a nivel mundial (Ávila, Campos y Encarnación, 2013). Por lo que es necesario propiciar acciones para el reciclaje y la reutilización de este desecho.

Los métodos de autoconstrucción, al desarrollarse principalmente por conocimiento empírico, omiten establecer un control de calidad adecuado; sumado a ello, la integración de materiales reciclados conlleva a malograr el propio control de calidad, por lo que establecer métodos para la correcta transformación y aplicación de los materiales reciclados brinda un aporte para el desarrollo de autoconstrucción.

Estado del arte

La integración de diversos materiales de construcción a las nuevas metodologías de diseño, como la aplicación de materiales alternativos, ante la demanda excesiva de los materiales naturales, ha provocado un creciente interés en relación con el estudio de alternativas de diferentes materiales que pueden ser integrados como materiales de construcción. La aplicación del PET reciclado dentro de los sistemas constructivos se ha investigado desde la integración de diversos elementos estructurales, hasta la aplicación de materiales decorativos dentro del ámbito del diseño interior.

Según Gaggino (2003), la industria del PET reciclado ya cuenta con un mercado establecido en Córdova, Argentina, lo cual ofrece evidencia de la viabilidad del uso del PET reciclado como material de construcción; reporta que existen empresas y/o plantas recicladoras que venden el material reciclado (PET). Elabora un estado del arte de los materiales que utilizan plásticos reciclados en Córdova, analiza el estudio de caso del T.plak (tetrabriks) y su aplicación en cerramientos (entiéndase cubiertas), encuentra que tiene un menor costo que los sistemas tradicionales por ser un material recuperado, presenta tarjetas de análisis de precio unitario de los sistemas constructivos, para argumentar la factibilidad económica.

En una investigación más reciente de Gaggino, Arguello y Berreta (2007), el PET reciclado se utilizó para aligerar las mezclas, reemplazando la arena gruesa por los plásticos triturados, y fabricó diferentes probetas con las siguientes medidas: ladrillo 5.5x26.2x12.5 cm, bloque 20x20.5x40 cm y placa de ladrillos 240x28x5.6. Dentro de los datos que se pueden observar en su investigación se encontró que el peso específico de los desechos de construcción con PET son menores que los de hormigón, dando evidencia de ligereza en los elementos constructivos con PET, además de encontrar una conductividad térmica menor a las mamposterías tradicionales. Al igual se encontró que la resistencia a la compresión disminuye al integrar el PET reciclado con un resultado a la compresión en el ladrillo de 2 Mpa contra 1.02 Mpa de un ladrillo con PET.

Entre otras características, reporta resistencia a la humedad e intemperie, facilidad para clavar, aserrar y buena adherencia de revoques (aplanados), así como un costo de producción similar al tabique tradicional (Gaggino, Arguello y Berretta, 2007).

Las investigaciones de Gaggino han ayudado a implementar diferentes tipos de investigaciones para la integración del PET reciclado como insumo en la construcción, como es el caso de Tolozano (2016), que lo integra a bloques de plástico reciclado, sumando otros tipos de plástico mediante un procedimiento de extrusión similar al colado de bovedillas prefabricadas y bloques, sin ser vibrocompactados.

Zambrano (2015) aborda diferentes tipologías de métodos de corte al disponer tablas donde muestra diferentes formas de transformación del PET reciclado, con lo cual se pueden establecer rendimientos para la integración del PET como insumo, en metodologías donde intervenga la autoconstrucción (Zambrano, 2015).

Rodas y Ordóñez (2016) proponen el desarrollo de tecnología integrando mezclas de concreto a base de vidrio y PET reciclado, integrándolos como reemplazo de arena; cabe hacer notar que encontraron dificultades en la transformación del PET, siendo una de las principales limitantes en la integración del PET reciclado como un insumo en la construcción; los resultados a compresión muestran un mejor rendimiento de las mezclas con vidrio en comparación con el PET y mezclas tradicionales (normal 3 Mpa, PET 2.8 Mpa, vidrio 2.9 Mpa y petvidrio 3.4 Mpa).

Santamarina (2015) de igual forma aborda la experimentación de las mezclas petvidrio, al catalogar las ventajas y desventajas de los materiales, donde encontró que el PET debido a tener una velocidad baja a la cristalización, es poco utilizado en los proceso de inyección, además de tener una alta sensibilidad a la humedad; sin embargo, cuenta con un alto módulo mecánico (2 Mpa).

El uso de plásticos dentro de la construcción ha sido tema importante para evitar la disposición final de los desechos. Trabajos como los de Salcedo (2014), donde diseña un sistema constructivo a base de bloques elaborados con la mezcla de pead reciclado, dan muestra de las ventajas del uso de plástico en la construcción, al poder extruirlo en diferentes formas; en la investigación de Salcedo se diseña un sistema constructivo en forma de bloques tipo lego® que se unen sobre un canal metálico a manera dala de desplante y corona, el diseño del bloque mide 4.5x9.0x (9, 18 ó 27) cm y obtiene una resistencia a la compresión de 15,904 kg/cm².

El estudio de los sistemas constructivos alternativos y/o con materiales reciclados, por su naturaleza experimental y de establecimiento de nuevos esquemas de construcción, provoca que los temas a abordar para lograr establecer un producto en el mercado, deba establecer ventajas y desventajas, por lo que investigaciones como la de Velardi (2011) permiten conocer las diferentes características termo-físicas de un sistema con PET reciclado. Trespalacios (2017) propone un sistema constructivo a base de casetones aligerados, al abordar las características físicas del PET para su aplicación como sistema constructivo.

El uso del PET reciclado como material en la construcción puede mejorar el comportamiento mecánico de algunos elementos debido a sus características físicas, entre las cuales muestran mejoras en su trabajo a la flexión, aplicado dentro de las mezclas como fibras [e. g.Al-Tulaian (2016), Borg (2016), Jo (2008), Kim (2010), Ochi (2007), Rahmani (2013), Saikia (2013), Saikia (2014), Silva (2005) y Yazoghli (2007) ].

El desarrollo de tecnología apropiada en la construcción se ha encontrado en diversos estudios, donde se han efectuado pruebas físicas al material PET para su implantación como material de construcción, desde su uso como muros de carga a través del vertido de mezclas en el interior de botellas PET, y su acomodo para obtener mejor resistencia a la compresión. Como ejemplos de lo anterior están los trabajos de Espinoza (2016) y de Macías (2017) (ver figura 1 y 2); sin embargo, este tipo de proceso constructivo sólo abarca una mínima parte del total de los desechos PET, por lo que en esta investigación se busca determinar la factibilidad del PET reciclado en el concreto y su probable inclusión en un sistema constructivo.

El concreto es una de las principales mezclas utilizadas en los sistemas constructivos, por lo que se han apoyado diversas investigaciones del uso del concreto con PET reciclado, como es el caso del proyecto impulsado por Conacyt: Propuesta de concreto estructural sustentable utilizando PET como agregado grueso (ROCAPET) reportado por la Agencia Informativa Conacyt (Cacelín, 2016), donde se proyecta el uso de la mezcla con PET para integrarlo al mercado de la construcción.

Otra investigación, con apoyo del Conacyt, titulada Sistema de construcción ecoeficiente para viviendas de interés social, reportado por la Agencia Informativa Conacyt (Valis, 2016), muestra un sistema eco-eficiente elaborado a base de celulosa y ceniza de caña de azúcar, ofreciendo resultados en las pruebas con f’c de hasta 750 kg/cm².

Existen otros tipos de mezclas que buscan integrar el concreto en los sistemas constructivos sustentables; como ejemplo está el “Ecocreto®” (Grau, 2018), enfocado en pavimentos permeables; se reporta la desventaja de las capas que reciben la superficie de rodamiento, ya que éstas deben ser cementadas y/o impermeabilizadas, lo que reduce la capacidad de permeabilidad o requieren de obras anexas para encauzar el agua.

Hay un avance en la investigación de concreto ecológico y de la integración de materiales reciclados en él, lo que da la pauta para realizar una investigación de alternativas, integrando materiales reciclados en un sistema constructivo.

Métodos

Marco metodológico

Un punto de vista cuantitativo es necesario para poder evaluar el concreto con PET reciclado en un sistema constructivo, por lo que una revisión del comportamiento de la estructura usando concreto con PET reciclado determinó sus ventajas y desventajas, así como su factibilidad de aplicación.

El diseño metodológico de este trabajo se constituyó en tres etapas: investigación documental, modelos de elemento constructivo, y pruebas preliminares, con base en la implementación del modelo de investigación imrad (Introduction, Methods, Results, and Discussion) (Day, 1998).

Recuperación de PET En hogares

Se determinaron las características del PET reciclado en dos hogares a través del método de observación directa, registrando el tipo de envases, procedencia, limpieza, calibre, con la finalidad de determinar la calidad del material recuperado.

Se observaron los diferentes calibres para determinar el tipo de PET a utilizar en las mezclas de concreto, de acuerdo con la procedencia del producto contenido en los envases y las características para determinar el proceso de molienda y corte con base en dos tipologías de familia:

Esto permitió verificar el tipo y cantidad de PET a obtener y tener una proyección de los volúmenes y calidad que se puede recuperar.

El método utilizado fue el descrito en la figura 3: Esto permitió contar con un registro de la calidad del PET que se encuentra en los envases de refresco de distintas marcas.

Modelos de sistema: experimentación, determinación de morfología de tiras

Se experimentó con diferentes tipos de cortes de botellas PET, identificando la morfología de la tira y la manera más práctica de integrar las mismas en un elemento constructivo.

Se trabajó sobre un modelo de fileteadora para aumentar el rendimiento, con el objetivo de que éste fuese de fácil construcción para implementar en un sistema de autoconstrucción.

Experimentación en el desarrollo del sistema constructivo

Determinación de morfología y forma de integración de PET recuperado

Se determinaron por medio de un modelo matemático las cantidades y la forma del PET a utilizar. De acuerdo con la revisión de diversas investigaciones, se encontró que la morfologia idónea para integrar el PET recuperado dentro de un sistema constructivo es en forma de tiras continuas, de acuerdo con Baldenebro (2015) y con Lopes de Oliveira (2017), donde se experimentó el trabajo del PET a flexión.

Se consideró un concreto correspondiente a elemento constructivo estructural; por lo que se tomó un f’c = 200 kg/cm²; además, al ser una propuesta de autoconstrucción, se deja un tiempo de fraguado de 28 días completos sin aplicación de acelerantes.

De acuerdo con los datos recolectados en el proceso de observación del PET recuperado en hogares, se considera integrarlo en tiras y se calculan con base en dos tipos de calibres del PET encontrados en botellas de refresco con la finalidad de considerar las variantes en los envases.

A continuación se muestra el proceso de cálculo de los especímenes a ensayar con base en especificaciones del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (Gobierno del Distrito Federal, 2004). (Ver figuras 4 y 5)

Se tomó a consideración la resistencia a la tracción (tensión) de las tiras de PET para incluirlo en el diseño de una viga simplemente apoyada con carga uniformente distribuida de 150 kg; con estos datos se calculó el momento flexionante que determinará el peralte del elemento (JQ , 2016).

Se añadió al elemento constructivo 1 cm de recubrimiento en el lecho inferior para la protección a la intemperie del refuerzo, por lo que para el espécimen se considera que será de 5 cm, teniendo una placa final de 100x25x5 cm.

En las figuras 6 y 7 se muestran ejemplos del cálculo del refuerzo necesario considerando un calibre de 0.4 mm y 0.3 mm.

Por repartición de tiras, se colocaran en el espécimen 24 tiras de refuerzo y se calcula otro espécimen con un calibre de 0.3 mm.

El PET se insertó por perforaciones a los costados con un empotraje con grapa sobre la cimbra, lo anterior para evitar movimiento de la tira al colado.

Construcción de cimbra

La cimbra se diseñó tomando en cuenta las medidas del elemento de 100x25x5 cm; se construyó con fajillas de madera y triplay asi como con ochavos para las zonas de apoyo.

La construcción de la cimbra se elaboró dentro de los talleres de carpintería del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente (ITESO), siendo un diseño con materiales economicos, por lo que se utilizó madera de segunda. (Ver figuras 8 y 9)

Entre los observables, se encontró que los perfiles de madera en el mercado no conservan una estandarización de las secciones, los diferentes aserraderos pueden cambiar las medidas de sus perfiles, por lo que generar un diseño de cimbra fijo no es lo conveniente; el diseño anterior debe considerar su adecuación a los perfiles del elemento constructivo a colar.

Fijación del refuerzo PET recuperado

Dentro del laboratorio de suelos del ITESO se experimentó en la adecuada fijación del PET; se encontró que la estructura que recibe la tira de PET debe ser suficientemente rigida para tensar el PET y fijarlo sobre la propia estructura de la cimbra.

El diseño original planteó una frontera con corte láser sobre una placa de mdf (medium density fiberboard) que traslapara los orificios de fijación y permitiera la reparticion de cada tira por separado; empero, sólo el corte láser podría variar de 30 a 50% más el costo de la cimbra, por lo que se se adecuó con un corte con sierra de presición; sin embargo, la tension del PET provoca que la frontera salga de su cuña. (Ver figura 10) Se requirió la adecuación de la cimbra montando el PET sobre una frontera de fajilla con una sola ranura, sobre la que se empaquetan las tiras de PET en grupos de tres, dando la siguiente repartición:

El montaje de los paquetes de tiras de PET se requirió empotrar con grapa para lograr tensar el material y poder estirar y reducir el efecto de espiral que provoca el corte de las botellas. (Ver figura 11)

Adicionalmente se probó un espécimen sin la integracion de PET reciclado, con la finalidad de tener un elemento de control.

Pruebas de laboratorio: diseño de experimento, prueba a flexión

Se determinó la variación en resistencia a flexión de elementos constructivos “ tipo dovela” al incluir tiras de PET de manera longitudinal a través de la prueba de flexión con dos puntos de apoyo y fuerza aplicada al centro.

La prensa universal utilizada cuenta con un espacio de trabajo con una superficie de 77 cm x 75 cm, se colocaron dos polines de madera de 3 ½” x 3 ½”, de 1.50 de 1.30 de largo y dos más de la misma sección apoyados sobre los anteriores, para sobre éstos colocar la placa de PET, como se muestra en la siguiente imagen, esto para lograr una longitud entre apoyos de 100 cm:

Para la aplicación de la carga se utiliza una barra trapezoidal al centro que transmite la fuerza de la prensa hacia el elemento constructivo; cada una de las placas se colocó sobre las bases de madera, ubicando el pistón de la prensa como centro para recibir la fuerza. (Ver figuras 12 y 13)

Se elaboró un registro de los datos de carga y deformación

Resultados y análisis

Descripción de resultados

Los resultados obtenidos de los ejercicios de observación: “Recuperación de PET en hogares”, “Experimentación en el desarrollo del sistema constructivo” y “Pruebas a flexión”, permiten replantear los diferentes tipos de diseño del sistema constructivo a través de una revisión cualitativa de las características para comprobar la viabilidad de su uso.

Interpretación de hallazgos

De acuerdo con el instrumento “Recuperación de PET en hogares” y de la “Experimentación en el desarrollo del sistema constructivo”, así como de las pruebas a flexión, a continuación se enlista la interpretación de los hallazgos.

Recuperación de PET en hogares

Familia dos integrantes (F1)

El PET recolectado es preponderantemente refresco, seguido de comida; en el caso de F1, el PET recolectado se observa limpio en su mayoría, haciendo más fácil el proceso de transformación, el período de recolección se elaboró del 2 de diciembre de 2017 al 1 de marzo de 2018, captando un total de 741.8 gramos, dando 370.9 gramos por persona y 123.63 gramos/persona/mes.

A continuación se enlistan los principales observables en esta herramienta:

Los resultados cuantitativos en relación de peso se presentan a en el cuadro 1.

Familia siete integrantes (F2)

El PET recolectado es preponderantemente refresco, seguido de comida; en el caso de la familia de siete integrantes el PET recolectado se observa sucio en su mayoría, haciendo más difícil el proceso de transformación.

El periodo de recolección se elaboró del 2 de diciembre de 2017 al 1 de marzo de 2018, captando un total de 2,916.4 gramos, dando 416.63 gramos por persona y 138.88 gramos/persona/mes.

A continuación se enlistan los observables en esta herramienta:

Análisis de hallazgos

Los resultados cuantitativos en relación de peso se presentan a continuación:

En general se observa que la recolección por persona no ofrece grandes cantidades del plástico que ameriten el diseño de un prototipo de molienda por vivienda, por lo cual se buscará un procedimiento estandarizado o con accesorios tecnológicos que exista en el mercado.

La catalogación de este pet a partir de los calibres como lo muestra la gráfica, (Ver figura 14) nos permite establecer las calidades por calibres para la determinación de procesos de calidad, para compararlos con los productos en el mercado.

El análisis específico nos permitirá determinar la cantidad de PET a integrar dentro de la mezcla y su disposición en tiras para trabajo a flexión, con base en los promedios obtenidos por persona mostrados en la figura 15 y cuadro 3.

De acuerdo con los resultados de los estudios elaborados en el diseño experimental y en los estudios establecidos en el estado del arte, parece factible el uso del PET como elemento constructivo por su comportamiento a la flexión, por lo tanto, de acuerdo con la demanda en sistemas constructivos de concreto se determina el punto de partida para establecer el diseño de experimentos de laboratorio a elaborar.

La posibilidad de ser integrado el PET reciclado como refuerzo estructural, se determinará a través del método de prueba establecido en la Norma NMX-C-303-ONNCCE-2010 ( 2010), en la cual se establecerán los parámetros de las mezclas para la determinación de la resistencia a la flexión.

En un sentido puntual podemos enlistar los siguientes hallazgos:

Experimentación en el desarrollo del sistema constructivo

En el desarrollo del sistema constructivo se encuentran distintas problemáticas al momento de la ejecución, que deben ser tomadas en cuenta para la mejora del sistema, así como el aprovechar las características a favor en el sistema, de las que a continuación se puntualizan.

Sobre el proceso del corte de las botellas de PET para obtener las tiras, se puede consultar el anexo 1. Los principales resultados se enlistan a continuación:

Sobre la construcción de la cimbra se puede concluir lo siguiente:

Experimentación prueba a flexión

Como ejemplo del análisis de los datos recabados de las pruebas a flexión, se muestran los resultados de las siguientes pruebas:

Se presenta una comparación de las muestras sin PET contra las reforzadas con PET recuperado (figuras 16 y 17).

En la figura 16 se muestra que la inclusión del PET en tiras como elemento de refuerzo baja la capacidad de carga; sin embargo, la ruptura completa del elemento constructivo no se comporta de la misma manera ya que permite una falla dúctil contra una frágil que tendría sin refuerzo, al conservar capacidad de carga cuando el elemento sin PET ya se ha desplomado.

Lo anterior permitió establecer puntos de acción en la integración de nuevos elementos constructivos y su probable aplicación al tomar en cuenta el comportamiento físico del PET ante las cargas a flexión, si bien no se integra con la mezcla de concreto, la deformación es menor cuando el PET actúa por sí solo, como se demuestra en la siguiente gráfica (figura 17), donde se compararon dos muestras con diferentes cantidades de refuerzo del PET.

Discusión

El análisis cualitativo de los resultados y hallazgos obtenidos permitió determinar las siguientes consideraciones para la elaboración de futuros estudios.

La recuperación se elaboró del 2 de diciembre de 2017 al 1 de marzo de 2018, tomando dos perfiles de familias (F1 y F2), una con aceptable recuperación de desechos (F1) y otra con baja recuperación de desechos (F2), encontrando una diferencia de 15.24 gr/per/mes, siendo una diferencia de aproximadamente 10%. Para cálculos pragmáticos se tomó un promedio de 131.25 gr/ per/mes; sin embargo, sería necesario un estudio estadístico para determinar esta cantidad en un lugar específico de estudio.

La fijación de las tiras de PET recuperado por medio de la experimentación permite darse cuenta de que el plástico tiende a conservar la forma de espiral del corte con tijera, por lo que es necesario tensar las tiras para hacer uniforme la línea de refuerzo sobre el elemento constructivo.

El amarre de las tiras de PET recuperado permite dar la tensión adecuada para estirar las tiras de PET; sin embargo, la textura y dureza del material no permite un amarre manual con nudos, por lo que se requirió fijar con grapas y dejar empotrado en cada extremo.

El trabajo con madera en combinación con el PET permitió percatarse de que son sistemas compatibles puesto que una fijación sobre un sistema de acero se complicaría, la fijación con grapa puede ser fácilmente adaptable a estructuras de madera o materiales blandos como el bambú.

Los resultados en las muestras sometidas a las pruebas a flexión indican que el sistema constructivo debe ser sometido a una reconsideración, puesto que el PET redujo la capacidad de carga del elemento; sin embargo, se deberá experimentar integrando paquetes de PET con una separación mayor, para evitar la creación de juntas frías y un elemento de concreto más homogéneo. No obstante, la falla dúctil del elemento puede tomarse en cuenta para el diseño de elementos de protección en caso de desastres.

La determinación mediante modelos matemáticos y la experimentación con pruebas mecánicas de los materiales alternativos puede permitir dar certeza de la seguridad estructural, desmitificando la idea de su baja calidad.

Conclusiones y propuestas de investigación futura

De acuerdo con los hallazgos obtenidos, se afirma que entre los mayores inconvenientes para captar el insumo PET reciclado está la recolección y transformación, por lo que debe ser implementado en programas de recolección con el apoyo de la iniciativa pública y privada en la integración de las comunidades hacia un cambio de conciencia en la disposición de los desechos.

Los métodos de transformación del PET se establecen en la forma de tiras continuas, por ser éstas las que brindan mejores resultados a flexión, así como para el resto del PET reciclado se recomienda el desarrollo de investigaciones de transformación por inyección para evitar la disposición final en tiraderos y rellenos sanitarios.

Se recomienda continuar con el desarrollo de investigaciones en otros elementos constructivos que trabajen a la flexión, en aprovechamiento de las bondades que nos brinda el material; al poder integrar tiras continuas se pueden elaborar geometrías como paraboloides e hiperboloides, tensándolos sobre estructuras principales y recibiendo cargas ligeras.

El uso de PET recuperado en este sistema constructivo permite evitar la disposición final de un porcentaje del mismo, además de brindar una nueva alternativa a los sistemas constructivos alternativos.

Las características físicas del PET permiten el diseño de nuevos modelos de sistemas constructivos para el desarrollo de tecnología que habilite el aprovechamiento del desecho sólido; no obstante, el desarrollo de pruebas de laboratorio así como análisis de observación permiten ofrecer sistemas estructuralmente aptos y seguros para la aplicación en la autoconstrucción.

De acuerdo con la recolección obtenida, se observó que el principal producto que se consume en envase de PET es el refresco. La marca de la familia Pepsi® es la que cuenta con un diseño estandarizado y por lo tanto más propio para el proceso de transformación en tiras.