Propiedades y Aplicaciones del Caucho de Neumáticos Reciclados

Cada día es más difícil minimizar el impacto de la inmensa masa de neumáticos desechados, que son arrojados a vertederos alrededor de las ciudades, de ahí la relevancia que tiene el caucho reciclado proveniente de Neumáticos Fuera de Uso (NFU). El reciclaje de neumáticos desechados es un mecanismo en constante evolución, que permite reutilizar esta materia prima, para convertirla en caucho granulado de manera que posteriormente se le pueda ofrecer a este material una segunda vida, al transformarlo en un producto nuevo y de interés en el mercado. Ofrecer el mejor caucho reciclado del mercado es una excelente opción a la hora de escoger un producto rentable, y con altos estándares de competitividad en el mercado.

El Problema de los Neumáticos Desechados

El residuo de caucho proveniente de neumáticos (RCN) es uno de los desechos más importantes en el mundo. Se estima que 1000 millones de neumáticos entran en desuso cada año y que para 2030 esta cifra alcanzará 1200 millones, totalizándose 5000 millones de neumáticos desechados de manera irregular. La disposición inadecuada de neumáticos genera impactos ambientales negativos que, incluso, atentan contra la salud humana, aumentan el riesgo de incendios accidentales y proporcionan refugio para mosquitos y roedores.

Reciclaje de Neumáticos: Una Solución Sostenible

El reciclaje de residuos poliméricos surge como una potencial solución al problema de la eliminación de neumáticos y ofrece la obtención de productos con valor agregado. El objetivo de este trabajo es evaluar técnicamente 2 métodos de reciclaje: (1) pirolisis y (2) mezcla en fundido de particulado de neumático con polietileno de densidad media (MDPE).

Pirolisis de Neumáticos

La degradación térmica del neumático es completa sólo a temperaturas mayores a 450ºC y el producto de mayor abundancia consiste de ceras (42 a 46%p/p), lo cual se asocia a la predominancia de reacciones secundarias, favorecidas a temperaturas mayores a 600ºC. Los gases obtenidos son abundantes en compuestos C4 y C5, identificándose principalmente isobuteno, y 3-metil-1-buteno y 2-metilbutano provenientes de la degradación del NR. Sólo se observa efecto de la temperatura a valores mayores a 600ºC para la cual aumenta la formación de productos líquidos (20,8%p/p a 700°C) y gaseosos (32,1%p/p a 700°C) con la consecuente disminución de producción de ceras, mientras que un menor flujo de nitrógeno disminuye el rendimiento de ceras y aumenta el de líquidos sólo a altas temperaturas (700°C). La presencia de catalizador mediante una estrategia de reacción catalítica in situ o en fase gaseosa no modifica los rendimientos de los productos, la composición de los productos gaseosos ni las temperaturas de inicio de la reacción, sino que solo favorecen la formación de coque.

Mezcla en Fundido con MDPE

Un alto contenido de particulado de neumático y un mayor tamaño de partícula disminuyen considerablemente las propiedades mecánicas de los compósitos, siendo siempre menores a los de la matriz pura, lo cual se asocia a la baja compatibilidad entre ambas fases. La temperatura de procesamiento y de prensado y la adición de compatibilizante permite mejorar la compatibilidad entre ambas fases de manera leve, mientras que el tratamiento por plasma disminuye la compatibilidad. Solamente un control sobre el tamaño de partícula permite obtener propiedades mecánicas adecuadas.

Aplicaciones del Caucho Reciclado en la Construcción

En la industria de la construcción existe una creciente demanda por áridos, se requieren aproximadamente 48.3 billones de agregados por año. Respecto al agregado fino, se reporta un alto consumo a nivel mundial de arena para la elaboración de materiales a base de cemento, tales como hormigón y morteros. Sin embargo, la arena es un material escaso en varios países; situación que ha llevado a la búsqueda de materiales alternativos para ser utilizados como agregado fino. Entre una de estas soluciones se encuentra el RCN, ampliamente utilizado.

Al emplear RCN como agregado fino se disminuye el consumo de agregado natural y se reutiliza un residuo, aplicándose así un enfoque sostenible. No obstante, se debe considerar el porcentaje de reemplazo y el tamaño del RCN, puesto que podría afectar negativamente las propiedades físicas, mecánicas y de durabilidad de los materiales a base de cemento. En cuanto a las propiedades mecánicas, estudios anteriores han demostrado que, en general, la resistencia mecánica del hormigón disminuye con RCN como reemplazo al agregado fino.

La durabilidad del hormigón con RCN igualmente ha sido reportada en la literatura especializada. Bisht y Ramana (2017) demostraron que la incorporación de RCN aumenta la penetración de agua, una vez que las microfisuras producidas por el RCN benefician el transporte del agua en el hormigón. De otra parte, la resistencia al hielo-deshielo presenta un mejor rendimiento, principalmente a bajas cantidades de RCN, lo que se debe a la naturaleza hidrófoba del RCN y a su capacidad de absorción de energía.

Si bien se han realizado investigaciones significativas en el área, el RCN no es adoptado en la industria de la construcción, pese a que atiende a diferentes requerimientos, incluso a elementos estructurales. En Bolivia no se reportan estudios de la utilización de RCN como agregado fino en materiales a base de cemento, como el hormigón, lo que representaría una solución a problemas locales, como la sobreexplotación de los bancos de agregados y la elevada generación de RCN, con base en una economía circular.

Transformación de Neumáticos en Grafeno para Hormigón

Unos investigadores de la Universidad de Rice, en Estados Unidos, lograron que los neumáticos se conviertan en grafeno, un material de alta dureza y cuyas propiedades le brindan una mayor resistencia al hormigón. A comienzos de 2020, un grupo de académicos de esa misma casa de estudios, liderados por el químico James Tour, desarrolló un proceso con el que es posible crear grafeno, gracias a la aplicación de un golpe eléctrico capaz de producir altas temperaturas (más de 2.000 grados Celsius) sobre prácticamente, cualquier elemento de carbón.

Con este proceso, los investigadores lograron crear una suerte de “copos” de grafeno en dichos elementos o, lo que Tour denominó, “grafeno turbostrático”, el que presenta capas desalineadas que son más solubles que las del grafeno “tradicional”, haciendo que el material obtenido se integre de mejor forma a materiales compuestos.

Así, el nuevo métido se aplicó a neumáticos que ya fueron reciclados y sometidos a quema en ambientes con baja presencia de oxígeno, lo que genera un tipo de combustible muy útil para una serie de industrias pero, al mismo tiempo, produce un residuo de carbón sólido que tiene pocas probabilidades de reutilizarse. Al aplicar este “golpe de calor eléctrico” a los neumáticos pirolizados, el equipo investigador liderado por James Tour descubrió que cerca de un 70% del material (el residuo de carbón negro) se transformó en grafeno.

Hormigones más Resistentes con Grafeno Derivado de Neumáticos

El equipo mezcló el grafeno resultante con muestras de cemento portland, para la producción de cilindros de hormigón para ensayos. A los siete días, los ensayos mostraron un incremento del 30% o más de resistencia a la compresión. Ya a los 28 días, los investigadores descubrieron que sólo con 0,1% de este grafeno fabricado a partir de neumáticos pirolizados, ya sea mezclado con carbón o no, es suficiente para mejorar la resistencia del hormigón en un 30%.

“Este aumento en la resistencia es, en parte, debido a un ‘efecto semilla’ del grafeno 2D añadido a la mezcla, para un mejor crecimiento de los productos de cemento hidratado, y en parte también, por un efecto de refuerzo ocurrido en etapas posteriores del ensayo”, comentó Rouzbeh Shahsavari, co-autor de la investigación.

Estudio de Hormigón con Residuos de Caucho de Neumático (RCN) en Bolivia

El objetivo del presente estudio es evaluar las propiedades físicas y mecánicas del hormigón con residuos de caucho de neumático (RCN) como sustituto parcial a la arena, considerando materiales locales de la ciudad de Cochabamba, Bolivia, a fin de promover una economía circular. Para ello, se sustituyó la arena por RCN (en volumen) en cuatro porcentajes: 0% (referencia), 5%, 10% y 20%, evaluando sus propiedades mecánicas (resistencia a la compresión, tracción y flexión) y físicas (masa específica, absorción de agua e índice de vacíos). Los resultados indican que existe una tendencia a la disminución a mayor porcentaje de RCN, tanto para la resistencia mecánica como para las propiedades físicas, a excepción de la mezcla con 5% de RCN, la cual presentó resultados comparables al hormigón con arena natural.

Metodología del Estudio

Se realizó el ensayo de granulometría del agregado grueso y fino siguiendo la normativa ASTM C136 (ASTM, 2020). El módulo de finura del agregado grueso y fino fue de 7.34 y 2.36, respectivamente, con un tamaño máximo de agregado de 19 mm. La densidad relativa del agregado grueso fue de 2.63 g/cm3, valor determinado por la norma ASTM C127 (ASTM, 2015a). El RCN proviene del proceso de reciclaje de neumáticos desechados y recolectados en la ciudad de Cochabamba, Bolivia. El RCN presenta una densidad de 1.1 g/cm3 a 25°C.

La Figura 5 presenta la composición química elemental del RCN (en porcentaje de peso): Carbono (93.1%), Oxígeno (3.6%), Zinc (1.7%), Azufre (1.3%), Fósforo (0.2%) y Potasio (0.1%). En este punto, se consideró una resistencia a la compresión de diseño de 21 MPa, dentro del rango establecido para un hormigón estructural (IBNORCA, 1987). Se evalúo el reemplazo de la arena por RCN (volumen) en cuatro mezclas: 0% (referencia), 5%, 10% y 20%.

El ensayo de asentamiento se realizó siguiendo la norma UNE-EN 12350-2 (Asociación Española de Normalización, 2020), utilizando el cono de Abrams y verificando la consistencia plástica (3-5±1cm) de la referencia (0% RCN). Se determinó la resistencia a la compresión, tracción y flexión del hormigón con RCN para 7 y 28 días. La resistencia a la compresión fue determinada siguiendo las especificaciones de la CBH 87 (IBNORCA, 1987). La resistencia a la tracción fue calculada mediante el ensayo brasileño, NBR 7222 (ABNT, 2011). Para ambas propiedades se utilizaron cuerpos de prueba cilíndricos de 10x20 cm. A fin de determinar la resistencia a la flexión se usaron cuerpos de pruebas prismáticos de 15x15x55 cm, considerando el método estándar de tres puntos, según la ASTM C293 (ASTM, 2016). A partir de los fragmentos generados en los ensayos mecánicos se llevó a cabo el ensayo de Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), de manera de observar la interacción del RCN con la matriz de cemento.

Resultados del Estudio

A medida que aumenta el contenido de RCN, el asentamiento del hormigón disminuye. El rango de reducción está entre 37.58 y 91.93% para 5 y 20% de RCN, respectivamente. En este sentido, Abdelmonem et al. Concretamente, aquí se realizó un análisis de varianza (ANOVA) y la prueba Tukey, a fin de comprobar si la disminución de las medias del asentamiento era significativa, considerando un α de 0.05. En el primer caso (ANOVA), se concluyó que existe diferencias significativas entre las medias, el p valor fue 1.94E-9 (<α).

Se puede observar que, para ambas edades, existe una reducción de la resistencia a la compresión a medida que aumenta el reemplazo del agregado fino por RCN, donde solo la mezcla de referencia alcanzó la resistencia a la compresión de diseño (21.51 MPa). La reducción en la resistencia a la compresión del hormigón se debe principalmente a la naturaleza hidrofóbica del RCN, lo que se traduce en una débil zona de transición interfacial (ZTI); el RCN también induce a altas concentraciones de tensión, produciendo una propagación de grietas, y a la baja gravedad específica del RCN que genera una distribución no uniforme de los esfuerzos.

En la prueba Tukey para 7 días (Tabla 5), se observa que no existe diferencia entre la referencia y la mezcla con 5% de RCN, lo cual corresponde al bajo porcentaje de reducción (1.58%); no obstante, también las mezclas de 10 y 20% de RCN son iguales. En caso de 28 días (Tabla 5), existe diferencia entre las medias de la referencia y las mezclas con RCN (p valor<α), pero entre los distintos porcentajes de RCN no existe diferencia, a excepción de 5 y 20% de RCN.

A la edad de 7 días, se aprecia una reducción de la resistencia a la tracción con el aumento de RCN -siendo el valor más alto en la referencia-, pero solo una diferencia mínima respecto a la mezcla de 5% de RCN. Para 28 días, también existe una diferencia mínima entre la mezcla de 5% de RCN y la referencia. Estos resultados concuerdan con otros trabajos, como el de Su et al. Mediante ANOVA se afirma que existe diferencia entre las medias, el p valor obtenido fue menor a 0.05, 1.06E-06 y 2.82E-10 para 7 y 28 días, respectivamente.

De modo similar a las anteriores propiedades analizadas, existe acá una reducción con la sustitución de arena por RCN, siguiendo la tendencia publicada. Ahora bien, no parece existir una clara diferencia entre las mezclas de 5 y 10% de RCN, puesto que los valores son similares e, incluso, se genera una mejora mínima para 10% de RCN.

Concreto Elaborado con Materiales Reciclados

La utilización de concreto elaborado con materiales reciclados permite tener una alternativa en la optimización y disminución considerable de recursos durante el proceso de fabricación de los componentes. Se evaluaron las resistencias a compresión y flexión en concreto de 210 Kg/cm2 modificado con aditivo plastificante a edades 7, 14 y 28 días, usando en su composición caucho reciclado de 5, 10 y 15%. Se incluyeron tres grupos experimentales, con aditivo plastificante y caucho reciclado, y dos grupos control, con aditivo plastificante y sin él.

La resistencia a la compresión logró valores máximos de 218.45 Kg/cm2 y 212.33 Kg/cm2 a 5% y 10% de caucho, respectivamente. Para la resistencia a flexión se logró un valor máximo de 81.86 Kg/cm2 para 10% de caucho. El caucho reciclado demostró ser un excelente agregado a ser empleado en mezclas de concreto a pesar de las pérdidas de resistencia mecánica, pero agregándole aditivo plastificante mejora significativamente haciendo viable su incorporación en el concreto hasta en 10%.

El Problema Ambiental de los Desechos de Neumáticos en Perú

La eliminación de neumáticos, después de su tiempo de vida, afecta indiscutiblemente al medioambiente a nivel mundial, ya que al no ser biodegradables son depositados en vertederos incontrolados o simplemente son abandonados en zonas públicas. En el Perú, el problema ambiental de los desechos de neumáticos se genera por el escaso conocimiento en temas de gestión de residuos tanto por razones culturales como por la falta de políticas e investigaciones sobre la reutilización y disposición final de este tipo de residuo.

Investigaciones sobre el Uso de Caucho en la Elaboración del Concreto

Siendo el caucho, como residuo de neumático, un material muy popular se han realizado muchas investigaciones que dan cuenta de la utilización de este material en elaboración del concreto, así tenemos a (Ghosh y Bera 2016) quienes realizan una revisión exhaustiva y nos muestran que los agregados de neumáticos de caucho de desecho se pueden usar en concreto como reemplazo parcial de agregados gruesos y finos, obteniendo resultados que están en el límite aceptable. (Thomas y Gupta 2015), analizando la bibliografía, también concluyen que este material de desecho puede ser un sustituto parcial del agregado en el concreto, el cual muestra una alta resistencia a la congelación-descongelación, al ataque ácido y penetración de iones cloruro.

Así también, (Pelisser et al. 2011) determinaron que el caucho neumático reciclado demuestra ser un excelente agregado que junto al hidróxido de sodio y humo de sílice mejora la resistencia a la compresión del concreto. Así mismo, (Issa y Salem 2013), quienes utilizaron caucho molido como agregado fino en hormigón, lograron determinar resultados positivos de resistencia a compresión cuando el contenido de caucho es inferior al 25%, así también obtuvieron mejoras en la ductibilidad. También, (Netravati 2017) determinó que la combinación de caucho de neumáticos y cenizas volantes da buena calidad en resistencia a la compresión y flexión de hormigón.

Calidad del Concreto

Es de resaltar que la calidad del concreto depende de la calidad de la pasta y del agregado, y de la unión entre los dos. En un concreto adecuadamente preparado, cada y toda partícula de agregado es completamente cubierta por la pasta y todos los espacios entre las partículas de agregados se llenan totalmente. De otro lado, (Tung-Chai 2011) usó contenido de caucho entre 5% a 50% como reemplazo del volumen de arena para formular ecuaciones lineales y logarítmicas para predecir la densidad y resistencia a la compresión de bloques de concreto.

Diseño de Mezclas de Concreto con Caucho Reciclado

Para cumplir con los objetivos planteados se realizó una caracterización de los agregados fino y grueso; y con estos materiales se realizó, por medio del método (ACI 2010), el diseño de mezclas de concreto para una resistencia de 210 kg/cm2. Se fabricaron cinco tipos de mezclas, concreto simple (CS), CS más aditivo plastificante (CSAP), CSAP más 5% en volumen de caucho reciclado (CSAP5CR), más 10% de caucho reciclado (CSAP5CR) y 15% de caucho reciclado (CSAP15CR). A cada una de las mezclas en estado plástico se le efectuaron pruebas de asentamiento, y en estado endurecido se midieron resistencia a la compresión en cilindros de 150 mm de diámetro y 300 mm de alto para edades 7, 14 y 28 días. Las pruebas de flexión se realizaron en vigas de 150 mm x 150 mm x 500 mm a la edad de 28 días.

Materiales Utilizados

La caracterización de los agregados para producir el concreto usado en las pruebas, se seleccionaron cumpliendo los requisitos de especificación de las normas técnicas peruanas (NTP 400.011 2013), (NTP 400.037 2014) y (ASTM C33 2016). Las gravas y arenas provenían de un proveedor de materiales DINO Arvesac, se les realizaron las pruebas de análisis granulométrico, peso específico y absorción, peso unitario y contenido de humedad, según las normas (ASTM C-136 2016), (ASTM C-128 2016), (ASTM C-29 2016) y (ASTM C-566 2016) respectivamente. El cemento utilizado fue Pacasmayo Extraforte (Tipo I), el cual cumple con la (NTP 334.090 2016). El agua usada para el mezclado y curado de las muestras es la que provenía de la red de agua para consumo humano de la ciudad de Trujillo.

En el caso del aditivo, se usó Sika® Cem súper plastificante reductor de agua, el cual cumple con la norma (ASTM C 494 2016). A este aditivo no se le realizaron pruebas de control, ya que fueron entregados certificados por el proveedor. El caucho reciclado triturado fue obtenido de neumáticos desechados en botaderos y talleres de mecánica, el cual se usó sin separación de textiles ni acero de su composición.

Proporciones de Caucho Reciclado

El diseño de la mezcla de concreto se realizó siguiendo el procedimiento (ACI 2010), estableciendo como dato de entrada la resistencia a la compresión de 210 kg/cm2, con asentamiento de 4” para concreto simple y 5.5” para concreto con aditivo plastificante. Las proporciones de caucho reciclado para la fabricación de las probetas cilíndricas se establecieron en 5%, 10% y 15% de volumen en concreto con plastificante. Adicionalmente, se conformaron muestras de control sin plastificante y con plastificante solamente para cuantificar las variaciones en las propiedades estudiadas.

Ensayos del Concreto

Las pruebas del concreto en estado plástico y en estado endurecido se realizaron a diferentes edades, siendo en estado plástico las pruebas de asentamiento y en estado endurecido los ensayos a la compresión en cilindros y flexión en vigas. Las pruebas de asentamiento se realizaron bajo la norma (NTP 339.035 2015) y (ASTM C 143 2016), permitiendo establecer una comparación con la muestra control. Las pruebas de compresión en cilindros de concreto se realizaron de acuerdo a la norma (ASTM C39 2016). Las pruebas a flexión se realizaron sobre las vigas de 150 mm x 150 mm x 500 mm, bajo la norma (ASTM C293 2016), ambos tipos de especímenes experimentaron un proceso de curado con inmersión en agua en condiciones controladas de acuerdo con la norma (ASTM C 192M 2016). Los resultados de ensayos a la compresión se procesaron usando el análisis de varianza (ANOVA) para determinar las diferencias de resistencias entre los grupos de probetas.

Todas las muestras cumplieron con la prueba de normalidad (p>0.05) según la edad de los cilindros de concreto. En cuanto al efecto del porcentaje de caucho reciclado, según los días de curado, en la Tabla 7 se observa que existe diferencias muy significativas (p<0,01) en los cilindros de concreto tanto para 7, 14 y 28 días de curado. En la Tabla 9 se hace notar que a los 28 días de curado no existen diferencias significativas (p>0,05) entre las resistencias de las muestras CSAP5CR y CS. En todos los demás casos se muestran diferencias muy significativas (p<0,01).

Asentamiento en las Mezclas de Concreto

De la Tabla 4 podemos observar que el asentamiento en las mezclas de concreto tuvo un incremento de 38 a 45%, respecto al concreto simple, en concretos con contenidos de caucho de 5 a 15% más aditivo plastificante. Se observa claramente que esta diferencia sustancial se debe principalmente al aditivo plastificante utilizado en la mezcla de concreto, ya que asegura una fluidez limitada para que el concreto pueda acomodarse con facilidad.

Resistencia a la Compresión

Las mediciones de resistencia a la compresión, en Tabla 5, nos muestran que únicamente la mezcla de concreto con aditivo plastificante alcanzó la resistencia esperada en las tres edades de estudio, así también lo confirman (Reina et al. 2010) quienes encontraron que la resistencia alcanzada a los 28 días superó a la resistencia en estudio. Para las muestras con diferentes contenidos de caucho reciclado, las resistencias encontradas estuvieron hasta 29% por debajo de la resistencia de diseño para edades de 3 y 14 días de curado. Solo a la edad de 28 días se superó a la resistencia de diseño en las muestras con 5 y 10% de caucho y aditivo plastificante.

Resistencia a la Flexión

En la Tabla 6 se muestran los valores promedios de la resistencia a flexión a los 28 días de curado, en vigas de 150mmx150mmx500mm, resaltando la mezcla de concreto simple con aditivo plastificante (CSAP) siendo 22% superior a la resistencia a flexión de la muestra control (CS). Las mezclas con diferentes porcentajes de caucho tienen tendencia a disminuir la resistencia, aunque obtuvo un mejor comportamiento la que incorporaba 10% de caucho siendo 2% menor que la muestra control, como se ve en la Figura 6. En cuanto al efecto de la dosificación de caucho en la resistencia a la compresión del concreto, en la Tabla 7 se observa que existen variaciones muy significativas (p<0,01) entre las resistencias de las muestras, para cada grupo de edad. Esto estaría reafirmando que los componentes del concreto juegan un rol fundamental en esta propiedad mecánica.

Tabla Resumen de Resistencias a la Compresión y Flexión

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