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).
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 aumento 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, represento 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.
2.1 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).
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].
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%.
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.
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.
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].
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.
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.
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.
[1]Tetra pak, “Sustainability Report 2022,” 2022. Obtenido de: https://www.tetrapak.com/sustainability/measuring-and-reporting/sustainability-reports. Último acceso: 19/05/2023.
[2]M. Martínez-López, G. Martínez-Barrera, C. Barrera-Diáz, F. Urenã-Núñez, and W. Brostow, “Waste Materials from Tetra Pak Packages as Reinforcement of Polymer Concrete,” Int. J. Polym. Sci., vol. 2015, 2015, doi: 10.1155/2015/763917. [3]F. V. W. Silpa Kaza, Lisa Yao, Perinaz Bhada-Tata, WHAT A WASTE 2.0 A Global Snapshot of Solid Waste Management to 2050. 2018. [4]M. Roberts, S. Allen, J. Clarke, J. Searle, and D. Coley, “Understanding the global warming potential of circular design strategies: Life cycle assessment of a design-for-disassembly building,” Sustain. Prod. Consum., vol. 37, pp. 331–343, 2023, doi: 10.1016/j.spc.2023.03.001. [5]IEA, Global Alliance for Buildings and Construction: 2019 global status report for buildings and construction: Towards a zero-emission, efficient and resilient buildings and construction sector, vol. 224. 2022. [6]P. L. Meyyappan, S. Keerthana, and M. Jemimah Carmichael, “Arriving the suitability of polyethylene wastes in flexible pavements: An experimental approach,” Mater. Today Proc., vol. 49, pp. 1698–1701, 2021, doi: 10.1016/j.matpr.2021.07.457. [7]Tetra pak, “Reciclador de cartón integrado: EuroTecho,” 2022. Obtenido de: https://www.tetrapak.com/es/insights/cases-articles/integrated-carton-recycler-eurotecho. Último acceso: 19/05/2023. [8]ASTM, Standard Test Method for Relative Density (Specific Gravity) and Absorption of Coarse Aggregate, ASTM C127-15. 2015. doi: DOI: 10.1520/C0127-15. [9]A. C. C128, “Standard Test Method for Specific Gravity and Absorption of Fine Aggregate, ASTM C128,” Annu. B. ASTM Stand., vol. 04, pp. 1–5, 1998. [10]ASTM, “Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates, ASTM C136-06,” 2006, doi: DOI: 10.1520/C0136-06. [11]ASTM, Standard Specification for Concrete Aggregates, C33/C33M-18. 2018. doi: DOI: 10.1520/C0033_C0033M-18. [12]ASTM, Standard Specification for Portland Cement, ASTM C150-07. doi: DOI: 10.1520/C0150-07. [13]ASTM, Standard Test Method for Air Content of Freshly Mixed Concrete by the Pressure Method, ASTM C231-09a. 2009. doi: 10.1520/C0231-09A. [14]ASTM, Standard Test Method for Slump of Hydraulic-Cement Concrete, ASTM C143/C143M-12. 2012. doi: 10.1520/C0143_C0143M-12. [15]ASTM, Standard Practice for Making and Curing Concrete Test Specimens in the Laboratory, ASTM C192-14. 2014. doi: DOI: 10.1520/C0192_C0192M-14. [16]ASTM, Standard Test Method for Rebound Number of Hardened Concrete, ASTM C805-18. 2018. doi: 10.1520/C0805_C0805M-18. [17]ASTM, Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens, ASTM C39/C39M-21. 2021. doi: DOI: 10.1520/C0039_C0039M-21. [18]G. Martínez-Barrera, J. J. del Coz-Díaz, M. Alonso-Martínez, and M. Martínez-López, “Lamellae of waste beverage packaging (Tetra Pak) and gamma radiation as tools for improvement of concrete,” Case Stud. Constr. Mater., vol. 12, 2020, doi: 10.1016/j.cscm.2019.e00315. [19]G. Martínez-Barrera et al., “Recycled cellulose from Tetra Pak packaging as reinforcement of polyester based composites,” Constr. Build. Mater., vol. 157, pp. 1018–1023, 2017, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.09.181. |
Published on 31/07/23
Accepted on 10/06/23
Submitted on 21/05/23
Volume 08 - COMUNICACIONES MATCOMP21 (2022) Y MATCOMP23 (2023), Issue Núm. 1 - Caracterización - Sostenibilidad y Reciclaje, 2023
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