Caucho Natural en Neumáticos: Propiedades y Aplicaciones en la Construcción

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.

El Problema de los Neumáticos Desechados y la Búsqueda de Alternativas Sostenibles

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. En Bolivia se generan 3 millones de neumáticos residuales por año, de los cuales solo el 5% se recicla. 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.

Por otro lado, 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. Pero esta reducción es variable.

La resistencia a la tracción también presenta la misma tendencia. La durabilidad del hormigón con RCN igualmente ha sido reportada en la literatura especializada. 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.

Metodología y Materiales Utilizados

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. 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, 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. La resistencia a la tracción fue calculada mediante el ensayo brasileño, NBR 7222. 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.

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. Antes del ensayo se generó un vacío en los fragmentos de hormigón y se recubrieron con una capa de oro para una mejor visualización de la microestructura. La absorción de agua, masa específica (densidad) e índice de vacíos fueron determinados siguiendo la norma ASTM C642. Se consideraron 3 cuerpos de prueba cilíndricos (10 x 20 cm) por cada mezcla y propiedad física.

Resultados Obtenidos en las Pruebas

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. La pérdida de trabajabilidad se explica por la forma irregular de las partículas de RCN, la distribución de granulometría más baja que la arena (˂3.5 mm) y la superficie rugosa del RCN, lo cual genera fricción entre las partículas.

En este sentido, 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).

En la Figura 7 se muestran los resultados de la resistencia a la compresión para 7 y 28 días. 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.

La Figura 8 presenta la variación porcentual de la resistencia a la compresión con relación a la referencia. Para 7 días, existe una reducción mínima (1.58%) en la mezcla 5% de RCN; sin embargo, para 10 y 20% de RCN la reducción es significativamente mayor, 15.22 y 21.99%, respectivamente. En el caso de los 28 días, se registra una reducción mayor que a los 7 días para 5% de RCN (6.41%), pero para 10 y 20% de RCN los porcentajes de disminución son menores, 8.89 y 14.23%, respectivamente. En ambos casos se advierte una tendencia a la reducción de la resistencia a la compresión, la cual se realza a mayores porcentajes de RCN, situación reportada previamente.

Para verificar si la reducción de las medias de la resistencia a la compresión es significativa, se realizó un análisis de varianza (ANOVA) y la prueba Tukey, ambas para un α de 0.05. 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.

La resistencia a la tracción para 7 y 28 días de todas las mezclas se grafica en la Figura 9. A la edad de 7 días, se aprecia una reducción de ella 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.

La reducción porcentual de las mezclas con RCN respecto a la referencia se presenta en la Figura 10. Para 7 días existe mayor disminución cuando se compara con la edad de 28 días. En ambas edades, la reducción es baja para la mezcla de 5% de RCN; mientras que se registran disminuciones de 14.29 y 15.53% para 10 y 20% de RCN a los 7 días, respectivamente. A los 28 días, la reducción fue de 3.55% para 10% de RCN y de 9.22% para 20% de RCN. Estos resultados concuerdan con otros trabajos.

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. En la prueba Tukey (Tabla 6), tanto para 7 como 28 días, no se advierte diferencia entre la referencia y 5% de RCN (p valor>α), lo que se puede verificar en la Figura 6. Adicionalmente, se observa que, para 7 días, no existe diferencia entre 10 y 20% de RCN. Estos resultados indican que se da una tendencia de disminución al usar RCN, pero, hasta un 5% de RCN, no se produce un impacto significativo en la resistencia a la tracción.

Por otra parte, la disminución de la resistencia mecánica se relaciona con el tamaño de partícula de RCN, especialmente cuando es mayor a 5 mm. Los resultados de resistencia a la flexión para 7 y 28 días se ilustran en la Figura 11. 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.

En la Figura 12 se muestra la reducción con respecto a la referencia. Los valores a 7 días presentan mayor disminución que a 28 días, siendo el máximo de 25.07% para 20% de RCN. A los 28 días, el porcentaje de disminución para 5 y 10% de RCN está en el rango de 10%, a diferencia de 20% de RCN, cuyo valor es 17.20%.

Mediante ANOVA se puede establecer que existen diferencias significativas entre las medias dela resistencia a la flexión, puesto que el p valor (<α) resultó de 2.39E- 08 y de 3.19E-12 para 7 y 28 días, respectivamente. La Tabla 7 resume lo obtenido a partir de la prueba Tukey, donde se observa que las mezclas de 5 y 10% de RCN no presentan diferencias significativas (p valor>α), como se comentó antes.

Composición Química Elemental del RCN

La siguiente tabla muestra la composición química elemental del RCN (en porcentaje de peso):

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