Properties of Tetra Pak Particle Reinforced Concrete for use in masonry parts.

Resumen

El avance en la tecnología de empaques y envases de un solo uso está generando un aumento indiscriminado en la cantidad de residuos sólidos urbanos, los cuales van en aumento. En 2020, México logró una tasa de reciclaje de alrededor del 30% en envases Tetra Pak, aunque este porcentaje es alentador, la mayor parte de los residuos no están siendo reincorporados a ningún ciclo. Por otra parte, una de las afectaciones más alarmantes que genera la industria de la construcción es la extracción de materia prima y sus potenciales emisiones de gases de efecto invernadero. Con el fin de asociar estas dos temáticas ambientales, el objetivo de este trabajo fue evaluar las propiedades físico-mecánicas del concreto adicionado con residuos Tetra Pak. Se estudiaron especímenes de 10 cm de diámetro y 20 cm de altura. Para las mezclas, se utilizaron contenidos en peso del 2%, 4%, 6% y 8% de fibras de 5 mm x 3 cm, a las cuales se les realizaron pruebas en estado fresco y endurecido a los 14 y 28 días de curado. Los resultados indicaron que conforme se aumenta el contenido de fibra, disminuyen las propiedades mecánicas de las probetas, por lo que su uso para fines estructurales deberá ser re-evaluado con otras técnicas adicionales, como irradiación con rayos gamma. Se recomienda utilizar este material en piezas de mampostería con fines no estructurales y caracterizar sus propiedades térmicas y acústicas.

Palabras clave

Concreto sostenible, RSU, RCDs, Tetra Pak

Abstract

Advances in single-use packaging and container technology are generating an indiscriminate increase in urban solid waste, which is on the rise. In 2020, Mexico achieved a recycling rate of around 30% in Tetra Pak packages; although this percentage is encouraging, most waste still needs to be reincorporated into any cycle. On the other hand, one of the most alarming impacts of the construction industry is the extraction of raw materials and their potential greenhouse gas emissions. In order to associate these two environmental issues, this work aimed to evaluate the physical-mechanical properties of concrete added to Tetra Pak waste. Specimens of 10 cm in diameter and 20 cm in height were studied. For the mixtures, weight contents of 2%, 4%, 6%, and 8% of 5 mm x 3 cm fibers were used, which were tested in the fresh and hardened state at 14 and 28 days of curing. The results indicated that as the fiber content increases, the mechanical properties of the specimens decrease, so its use for structural purposes should be re-evaluated with other techniques, such as gamma irradiation. It is recommended to use this material in masonry pieces for non-structural purposes and to characterize its thermal and acoustic properties.

Keywords

Sustainable concrete, MSW, CDW, Tetra Pak

1. Introducción

Los empaques y envases de alimentos desempeñan un papel crucial en la alimentación de las personas a nivel global, pero al no recolectarse y reciclarse se convierten en fuente importante de residuos sólidos.

Tetra Pak es una empresa líder mundial en soluciones de envasado de alimentos, en el año 2022 la empresa vendió más de 193 mil millones de envases a nivel global y aunque colaboran con más de 200 centros de reciclaje alrededor del mundo, solo 50 mil millones de envases fueron recolectados y enviados a centros de reciclaje en el 2021. En México, Tetra Pak ha colaborado con el gobierno y organizaciones civiles organizando campañas de recolección de residuos reciclables. En el año 2021 se logró la recolección de 40 toneladas de envases [1].

Los envases Tetra Pak están diseñados con el propósito de reciclarse después de su uso, pero es necesario contar con infraestructura adecuada de recolección, clasificación y reciclaje a gran escala. Los envases Tetra Pak están compuestos de celulosa (75%), polietileno de baja densidad (20%) y aluminio (5%). Una vez desechados, se pueden reciclar de tres maneras: a) incineración para producir electricidad, b) reciclaje para la fabricación de papel, y c) uso para la producción de láminas y productos de aglomerado [2].

La mayoría de los envases Tetra Pak reciclados se envían a fábricas de papel, las cuales separan las fibras de cartón del polyAl (masa residual de plástico y aluminio). Al reciclar la fibra de cartón se convierte en pulpa de papel de alta calidad para su uso en productos industriales y de consumo. El polyAl por otro lado, es enviado a centros de reciclaje de plástico y aluminio, donde, por medio de diferentes tecnologías se pueden producir elementos que pueden ser usados en la construcción como paneles, pallets, perfiles, baldosas, entre otros (figura 1).

Figura 1. Centros de reciclaje de residuos de Tetra Pak [1].

El Banco Mundial predice un incremento del 70% en los residuos mundiales para el año 2050 [3], por lo que, el reciclaje por si solo es una medida insuficiente, es necesario hacer un cambio buscando lograr una economía circular donde este tipo de residuos sólidos puedan tener más de un solo uso. El modelo de economía circular tiene el potencial de reducir significativamente los impactos negativos para la salud humana y el medio ambiente asociados a la mala gestión de los desechos.

Por otra parte, el sector de la construcción y la edificación es responsable del 40% de las emisiones mundiales de dióxido de carbono relacionadas con el consumo de energía [4]. En 2021, las actividades de la industria de la construcción se recuperaron a los niveles previos a la pandemia de COVID 19 en la mayoría de las principales economías a nivel mundial, como resultado, la demanda de energía de los edificios aumentó aproximadamente un 4%, el mayor aumento en los últimos 10 años [5]. Al incluir las emisiones de CO₂ estimadas de la producción de materiales para la construcción, la construcción de edificios representa alrededor del 37% global de emisiones de CO₂ [5].

La producción de concreto, acero y aluminio, principales materiales utilizados en la construcción, representó un aumento del 4% del consumo mundial de energía y un 6% de las emisiones globales de CO₂ [5]. Según la Organización para la cooperación y el Desarrollo Económico, el consumo de materias primas para la construcción se duplicará para el 2060, lo cual aumentará la sobrecarga ambiental que estamos experimentando en la actualidad [5].

Para reducir el impacto negativo que genera la industria de la construcción al medio ambiente se recomienda incorporar materiales alternativos en el proceso de construcción convencional y descarbonizar materiales convencionales como el cemento.

Asociando estas dos temáticas, se han llevado a cabo algunas investigaciones sobre el uso de materiales poliméricos reciclados en el concreto, dicho reciclaje ayuda a conservar los recursos naturales, pero también es una opción para resolver la creciente crisis de eliminación de desechos [2].

Una forma de reciclaje para los envases Tetra Pak, es su uso como sustituto de los agregados minerales en la elaboración de concreto polimérico, mejorando sus propiedades, incluyendo menor peso y densidad, mayor resistencia mecánica y tenacidad. Martínez-López et al. (2015) encontraron mejoras de hasta el 14% en la resistencia a la compresión y a la flexión al irradiar con rayos gamma las probetas de concreto, así como mejoras en el módulo de elasticidad [2].

También se ha investigado la idoneidad de los residuos de envases Tetra Pak en la mezcla de concreto asfáltico para pavimentos flexibles, con resultados alentadores al añadir fibras de 3 cm de longitud en la mezcla, se cumplen las consideraciones de estabilidad del diseño Marshall. Además, la utilización de fibras de polietileno puede llegar a reducir la cantidad de cemento asfáltico necesario en la mezcla de concreto flexible [6].

En México, Tetra Pak colabora con Euro Techo, un reciclador integrado, que utiliza solo envases de cartón Tetra Pak como materia prima para reciclar polyAl mediante el termoformado de prensado en caliente para producir tejas y láminas planas. Debido a las propiedades térmicas y de permeabilidad del material, las láminas planas están experimentando un aumento de demanda en la industria de la construcción [7].

Con la finalidad de dar una primera aproximación a la viabilidad de utilizar el concreto adicionado con Tetra Pak y así contribuir desde la industria de la construcción al reciclaje de este residuo y a la evitación de extracción de agregados finos (así como el gasto energético y emisiones que estas acciones conllevan), el objetivo de este trabajo fue evaluar las propiedades físico-mecánicas del concreto adicionado con fibras de Tetra Pak a diferentes edades de curado.

2. Metodología

2.1 Caracterización agregados y Tetra Pak.

Para llevar a cabo esta investigación se utilizaron láminas provenientes de residuos sólidos urbanos (RSU), en este caso, de envases de Tetra Pak de 1 l. Se generaron partículas de 5 mm x 3 cm mediante una trituradora de cartón. Para ello previamente se realizó el lavado de los envases y se efectuaron las láminas (figura 2).

Figura 2. Proceso de elaboración de las partículas: a) lavado y elaboración de láminas, b) trituración, c) partículas de Tetra Pak.

Los agregados naturales se caracterizaron siguiendo los procedimientos establecidos por la ASTM para agregados gruesos y finos: densidad y absorción en gravas [8]; densidad y absorción de arena [9]; módulo de finura [10]; y granulometría [11]. Para la granulometría de gruesos se consideró un tamaño de partícula máximo de 19.05 mm, el cual tuvo que pasar por las mallas ¾”, ½”, 3/8”, No. 4. Para la granulometría de finos se tamizó entre las mallas No. 4 y No. 100 (4, 8, 16, 50, 100).

2.2 Caracterización de concreto fresco y endurecido.

La dosificación de las mezclas (tabla 1) se realizó modificando el contenido de arena por reemplazos de partículas de Tetra Pak del 2%, 4%, 6% y 8%, adicionalmente se realizó una mezcla convencional con una resistencia de diseño de 210 kgf/cm², revenimiento de 7.5-10 cm, grava de ¾” y relación a/c de 0.54, como aglutinante se consideró un cemento portland compuesto (CPC 30) que cumplía con los requisitos normativos de la ASTM C150 [12].

Tabla 1. Dosificación de las mezclas para 1 m³ de concreto.

Material (kg)	Mezcla
	Convencional	2%	4%	6%	8%
Agua	240.3	255.5	270.8	286.0	301.3
Cemento	400.0	400.0	400.0	400.0	400.0
Grava	857.6	857.6	857.6	857.6	857.6
Arena	796.5	780.5	764.6	748.7	732.8
TetraPak	0	16.0	31.3	46.0	60.0

Las pruebas realizadas en estado fresco fueron el contenido de aire por el método de presión [13], revenimiento [14] y fabricación y curado de especímenes [15]. Para el estado endurecido, se midió la dureza a los 14 y 28 días de curado mediante un esclerómetro [16] y la resistencia a la compresión [17] mediante una prensa hidráulica. La fabricación de las probetas se llevó a cabo para cilindros de ø10 x 20 (resistencia a compresión) y ø15 x 30 (índice de rebote). Las probetas se desmoldaron a las 48 horas debido a la alta humedad que contenían los especímenes pasadas las 24 horas, posteriormente se introdujeron en una cámara de curado a temperatura de 23°C ± 2 y una humedad relativa del 100%.

3. Resultados

Los resultados para agregados gruesos y finos permitieron el diseño de las mezclas mediante la normativa seguida. Se obtuvo una densidad relativa de 2.69 g/cm³ para gravas y 2.62 g/cm³ para arenas; mientras que los porcentajes de absorción fueron 0.59% para gravas y 2.35% para arenas. El peso volumétrico en estado saturado y superficialmente seco para gravas fue de 1659 kg/m³ y el módulo de finura para arenas fue de 3. Las gráficas granulométricas se pueden observar en la figura 3.

Figura 3. Gráficas granulométricas: a) agregados gruesos, b) agregados finos.

Respecto a los resultados en estado fresco se puede observar una tendencia de disminución de revenimiento conforme se aumenta el contenido de partícula de Tetra Pak, llegando a tener un resultado de 0 cm para la mezcla de 8% (tabla 2). La trabajabilidad puede ser una de las oportunidades más importantes para el concreto adicionado con Tetra Pak, ya que conforme se aumentó el contenido de éste fue más complicado realizar el enrasamiento y la compactación de los cilindros.

Respecto al contenido de aire, conforme se aumenta 2% de Tetra Pak a la mezcla, se tiene un aumento promedio de 1.5% en aire, siendo las mezclas del 2% y 4% las que tienen menos diferencia en este aumento (0.6%). Lo anterior puede ser un indicador positivo para proponer y seguir investigando su uso en concretos sometidos a bajas temperaturas o a congelamiento, lo cual, también se relaciona con la pérdida en la resistencia a la compresión.

Tabla 2. Propiedades en estado fresco de las mezclas de concreto.

Propiedad en estado fresco	Mezcla
	CO	TE2%	TE4%	TE6%	TE8%
Revenimiento	15	10	3	6	0
Contenido de aire	1.3	2.9	3.5	5.5	7.4

Los resultados de resistencia a la compresión a 28 días (figura 4) descartan el material para fines estructurales siempre que se siga la metodología de este trabajo. La mezcla TE2% disminuyó un 52% la resistencia si se compara con la convencional. Este comportamiento no muestra una tendencia lineal, en su caso, se puede observar un comportamiento exponencial que se va deteniendo en la pérdida de resistencia conforme aumenta el contenido de fibra. La pérdida de la resistencia a la compresión es un resultado que coincide con bibliografía previa [2], [18] lo que podría limitar su uso para fines estructurales, sin embargo, otras investigaciones han encontrado que irradiar el Tetra Pak con radiación gamma puede hacer que se revierta este efecto, e incluso ayudar en la ganancia de las propiedades mecánicas [18], [19].

Figura 4. Resistencia a la compresión a los 28 días de curado.

Por último, de las pruebas reportadas hasta los 28 días de curado, se pudo comparar la dureza del material a través del índice de rebote (figura 5). Los resultados indican tendencias similares con respecto a la resistencia a compresión, es decir, conforme se aumenta el contenido de partículas de Tetra Pak, el índice de rebote tiende a caer. Se puede observar que las mezclas del 2% y 4% tienen durezas muy similares, con diferencias promedio entre las 2 edades de curado del 5% (siendo superior el índice de rebote de la TE4% que la TE2%). También es posible observar que conforme se aumenta la edad de curado la dureza tiende a aumentar en la mayoría de las mezclas. Lo anterior puedes ser un buen indicador para medir la ganancia en la resistencia a la compresión de forma cualitativa en probetas de concreto a edades tempranas.

Figura 5. Índice de rebote a los 14 y 28 días de curado.

Aunque los resultados obtenidos en este primer acercamiento al material pueden resultar no favorecedores, es importante mencionar que, las partículas de Tetra Pak ocupan un volumen elevado en la mezcla, es decir, tan solo el 2% en peso, representaría una cantidad importante cuando hablamos en términos ambientales. Por lo que, no se debería descartar el material como posible sustituto de agregados o incluso como fibra en concretos u otros materiales como arcillas.

4. Conclusiones

Este trabajo dio una aproximación inicial al concreto adicionado con partículas de Tetra Pak para su utilización como material de uso estructural o de mampostería. Se evaluaron propiedades mecánicas básicas a través de la resistencia a la compresión e índice de rebote a los 14 y 28 días de curado, así como pruebas básicas en estado fresco del concreto. Los resultados que se obtuvieron indican que bajo el procedimiento adoptado el concreto adicionado con partículas de Tetra Pak se descarta para fines estructurales, sin embargo, no limita al material para otras aplicaciones, como piezas de mampostería o en infraestructura de movilidad activa (peatonal o ciclovías).

Se vislumbra un potencial importante para este material en aplicaciones que requieran un mejoramiento en sus capacidades térmicas y/o acústicas. Por lo que, es necesario medir el coeficiente de conductividad térmica del material, además de la elaboración de piezas de mampostería con diferentes tamaños e inclusive en formato machihembrado.

Se recomienda para futuras investigaciones generar un tamaño de partícula dentro de los límites del agregado fino que sea posible incorporar como arena. Por otra parte, según lo encontrado en bibliografía se recomienda la irradiación de las partículas de Tetra Pak con radiación gamma. Finalmente, es necesario realizar el análisis del ciclo de vida del material y/o las piezas de mampostería incorporados a vivienda o infraestructura de movilidad activa para medir su potencial de disminución de carga ambiental tanto en las etapas incorporadas, como en las operacionales.

5. Bibliografía

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