Este trabajo tuvo desarrollo a partir de la hipótesis de agregados reciclados, Grano de Caucho Reciclado sustituyendo el agregado fino, como ingrediente de morteros en la fabricación de elementos constructivos, ejemplo de ello, los adoquines. Su contenido abarca los resultados de la investigación sobre las propiedades fisicoquímicas de distintas dosificaciones cuyo contenido de árido se sustituyó parcialmente por GCR en distintos porcentajes. Se evidencia la evaluación de las propiedades mecánicas de las dosificaciones en estudio con las réplicas convencionales mediante ensayos de absorción, flexo-tracción y compresión.

Se determinó que puede brindar una alternativa diferente para el reciclaje ya que el GCR puede ser usado como posible sustituto de agregado fino; se obtuvieron adoquines ecológicos con 5, 7 y 9 por ciento en sustitución de arena, que presentaron una absorción y resistencia a la flexión por encima de lo exigido por la norma técnica colombiana.

El sector transporte es una herramienta masiva a través de la cual se logra la movilización de productos de uso personal, alimenticios y, normalmente personas. Según los estudios del departamento técnico administrativo del medio ambiente, en nuestro país esta actividad económica, aparte de crear una gran cantidad de empleos y ser el sustento de miles de familias, también ocasiona un grave impacto sobre los recursos naturales, ya que es el sector que más consume derivados del petróleo como combustibles y lubricantes; industrializa gran cantidad de residuos como llantas, aceites y baterías, además de generar 80 % de la contaminación atmosférica en ciudades que cobijan grandes asentamientos poblacionales como es el caso de Bogotá (Guía Para el Manejo de Llantas Usadas, 2006).

Durante muchos años mientras un porcentaje de los neumáticos ha sido reprocesado y utilizado, otro tanto de estos ha sido ubicado en lugares de disposición especial o normalmente botados a cielo abierto y quemados, lo que en consecuencia crea escenarios devastadores visualmente y sirven como hábitat para proliferación de vectores como ratones, moscas y dengue, siendo estos de letal afectación sobre la salud pública de la población aledaña (Cardona y Sánchez, 2011).

Es de subrayar que el problema ambiental no solo recae en la explotación de asentamientos mineros; también destaca la generación de residuos como llantas, los cuales aumentan proporcionalmente con el crecimiento del parque automotor (Guía Para el Manejo de Llantas Usadas, 2006).

En todo caso, la generación desmedida de llantas y escasez de recursos pétreos puede crear una medida para contribuir al beneficio ambiental con la reutilización de las llantas para elaboración de adoquines.

De acuerdo con esto, primero identificamos aspectos e impactos ambientales del post-consumo de la llanta, luego explicamos la elaboración de un adoquín ecológico con dosificaciones más apropiadas de grano de caucho reciclado, arena, cemento y, finalmente, evaluamos sus propiedades y características mediante pruebas de laboratorio (Prueba de absorción de agua, resistencia a flexo-tracción y compresión) conforme a lo establecido en la norma técnica colombiana (NTC,2017).

Este proyecto se enfoca en evaluar que tan viable es incorporar residuos provenientes de llantas como material para la elaboración de adoquines y la viabilidad técnica de este propósito. La caracterización tanto física como mecánica de este agregado reciclado se ejecutó ateniendo lineamientos de saneamiento ambiental donde se propone el aprovechamiento de llanta residual en diseño de nuevos materiales para la construcción. Por último, proponemos distintos usos en parques recreacionales, andenes peatonales y zonas de tránsito vehicular pasivo.

La tipología del estudio es experimental o cuasi experimental. Se probaron distintas concentraciones de material tipo caucho y el enfoque es cuantitativo. Con el fin de corroborar los resultados obtenidos se empleó un diseño de experimento completamente aleatorizado, ya que la fuente de variabilidad perturbadora se conoce y es controlable (condiciones ambientales), no hay un gradiente que afecte, se mantiene constante.

El enfoque de carácter cuantitativo ayudó a cuantificar el problema y entender que tan generalizado está mediante la búsqueda de resultados proyectables que normalmente buscan medir la magnitud y van tras datos estadísticos que se interpretan objetivamente.

Para la evaluación de impactos ambientales se utilizó la metodología propuesta por Conesa la cual plantea la obtención de valores a partir de la valoración cualitativa y cuantitativa de los impactos ambientales identificados, obteniendo una matriz de interacción para los impactos ocasionados (C. Fernández,1995).

El proceso de elaboración de los adoquines ecológicos se realizó en las instalaciones del laboratorio SOAL INGENIERIAS S.A.S., teniendo en cuenta la metodología convencional que ellos emplean para la fabricación de adoquines vaciado en moldes o formaletas, ya que es más factible debido a su bajo costo y la posibilidad de alcanzar altos volúmenes de producción.

Dentro de los procesos empleados se debe cumplir con lo siguiente:

Una vez realizado el desmonte es necesario exponerlo a períodos continuos de agua para que así se obtenga un curado adecuado y en consecuencia aumente la resistencia del adoquín para una edad de 28 días como estipula la norma (Di marco, R. M. (2015)).

Se obtuvieron ciento noventa y dos adoquines utilizando cinco replicas por dosificación para cada prueba con el fin de aumentar los grados de libertad del experimento y en consecuencia disminuir el error experimental en el diseño para que sea sensible a diferencias entre tratamientos.

Como se pretende evaluar el comportamiento del agregado reciclado en la composición de la mezcla, se suplió en tres porcentajes diferentes el contenido de este 5%, 7% y 9% por ciento con respecto al agregado fino convencional.

Se efectuaron doce réplicas con características de adoquín comercial 0 % (Testigo), doce al 5 % de grano de caucho, doce al 7 % de grano de caucho y doce al 9 % de grano de caucho “por dosificación de mezcla”, ya que los moldes son de doce adoquines y así contar con dos unidades sobrantes en caso de adoquines defectuosos o la necesidad de repetir alguna prueba, todo esto con el fin de aumentar la confiabilidad en los datos experimentales, es decir, cinco sometidos a prueba de absorción, al no ser una prueba destructiva podrán ser aprovechados para la prueba de flexo-tracción y por último, cinco sometidos a una rotura por compresión.

Con el fin de corroborar los resultados obtenidos experimentalmente se empleó un diseño de experimento completamente aleatorizado, ya que la fuente de variabilidad perturbadora se conoce y es controlable (condiciones ambientales), no hay un gradiente que afecte, se mantiene constante (D. C. Montgomery,2004).

Obtenidos los resultados del análisis de varianza del “DCA” se procedió a utilizar la prueba de Dunnet siendo esta la ideal a emplear cuando uno de los tratamientos es testigo y así comparar las medias entre tratamientos (J. Fallas, 2012)

Teniendo en cuenta los factores ambientales que pueden ser afectados por acciones de la inadecuada disposición final de las llantas, se representó la acción y los componentes del ambiente afectados, dando como resultado la intercepción con cada celda en función del impacto ambiental existente.

La figura 1 presenta los resultados de la valoración de impactos ambientales a raíz de la disposición inadecuada de las llantas.

Para determinar el valor de cada casilla en la matriz se multiplicaron las calificaciones propuestas subjetivamente, precedidas de signos según sea adverso o positivo cada impacto aplicando la ecuación de la importancia de un impacto ambiental.

En la matriz de impactos se obtiene la interrelación de la actividad con cada componente ambiental en consideración. Se producen para la presente actividad diecisiete (17) interacciones causa-efecto de las cuales únicamente seis (6) se interrelacionan generando impacto negativo.

Calculada la importancia de cada uno de los impactos y consignados estos valores en la matriz, se procede a un análisis cualitativo de los resultados complementando el proceso de valoración. La categorización de los impactos ambientales evaluados e identificado, se ha realizado respecto al valor de cada uno. Para esto se han conformado dos categorías de acuerdo con la siguiente tabla.

Según la tabla anterior; 33,33 % son impactos compatibles (16,6 6% correspondiente al componente biótico y otro 16,66% al abiótico) y 66,66 % son impactos moderados (aplicando 16,66 % al componente social y otro 49,99 % pertenecientes al abiótico) arrojando las siguientes conclusiones.

La disposición inadecuada de las llantas podría generar un impacto compatible afectando al componente biótico asociado a la cobertura vegetal.

Esta actividad podría generar un impacto moderado afectando al componente abiótico asociado a la calidad del aire, así mismo a la calidad suelo, el contraste del paisaje (estas últimas con el mayor valor de este componente) y por último, un impacto compatible con el componente abiótico implicado en la calidad del agua.

Disponer de forma inadecuada las llantas podría generar un impacto moderado afectando al componente social asociado a la calidad de vida.

Como se pretende evaluar el comportamiento del agregado reciclado en la composición de la mezcla, se elaboraron cuatro dosificaciones de mezcla para 1m3 de mortero con el fin de analizar a detalle el rendimiento de los especímenes en cada una de las pruebas.

De acuerdo con Rivera (2013) el diseño de mezcla se realizó por peso y por volumen. A continuación, se expone de manera detallada las cantidades requeridas en una mezcla convencional para lograr la resistencia demandada.

Ya que se pretende evaluar el comportamiento del grano de caucho reciclado en la composición de la mezcla, se suplió en tres porcentajes diferentes el contenido de este: 5 %, 7 % y 9%, respecto al agregado fino mezclado. El material reciclado utilizado como agregado fino en las mezclas de ensayo se adicionará de acuerdo con los porcentajes de la siguiente tabla.

La decisión de utilizar estos porcentajes fue tomada por los investigadores, ya que al no contar con ningún antecedente relacionado y este ser un ensayo netamente experimental, fueron empleados estos valores.

El objetivo de estos porcentajes va encaminado a que, al poseer el GCR grueso un mayor diámetro de partículas, esto indicaría una mayor área irregular por grano y en consecuencia favorecería la adherencia entre la mezcla y evitar posibles desmoronamientos en el adoquín. Sin olvidar que se utilizó fino para favorecer el aspecto estético del mismo.

Se tomaron cinco muestras de cada mezcla por dosificación para realizar la prueba de absorción de agua, cada uno de los adoquines fue designado con un número del uno al cinco y el porcentaje de material reciclado que tenía. Posteriormente, se tomó el peso seco a cada espécimen. Las muestras de ensayo se sumergieron luego durante 24 horas dentro de un recipiente lleno de agua.

Cumplido este tiempo se secaron superficialmente con un trapo y sin perder tiempo se procedió al pesaje de cada adoquín saturado y superficialmente seco.

La figura 12 presenta el comportamiento obtenido entre distintos porcentajes reemplazados de GCR por agregado natural respecto a la absorción por los adoquines, utilizando el valor promedio obtenido para esta, como indica la Norma Técnica Colombiana “los adoquines de concreto deben tener una absorción de agua total (Aa%) (Para todo el volumen del espécimen) no superior al 7 % como valor promedio para los especímenes de la muestra” (NTC, 2017).

Para interpretar los resultados se comenzó por la dosificación 1:2, la cual hace evidente que a mayor adición de GCR aumenta la absorción en los especímenes, sin embargo, la adición del material no perjudica en términos generales el resultado ya que todos valores satisfacen la norma al ser inferiores a 7%.

La dosificación 1:3 evidencia que a mayor sustitución de agregado pétreo por GCR se obtiene una menor absorción de agua por promedio de cinco especímenes, lo que indica que para esta dosificación hay mayor afinidad con el GCR en términos de adherencia, además de cumplir con la Norma Técnica Colombiana (NTC, 2017). En conclusión, esta fue la dosificación con mayor rendimiento en la prueba de absorción.

Se puede observar que la dosificación 1:4 fue la de peor rendimiento, ya que ninguna dosificación (a excepción de la testigo) cumplió con lo indicado en la norma, sin omitir que a mayor adición de GCR era menor la absorción de los adoquines.

Respecto a la última dosificación se aprecia que incluso la dosificación sin GCR adicionado (testigo) incumple con el límite máximo permisible para absorción, solo una dosificación satisface y es la de menor porcentaje sustituido. A mayor remplazo de GCR crecía la absorción en los adoquines lo cual no es ventajoso.

Una vez terminada la prueba de absorción inmediatamente se utilizaron las cinco réplicas para someterlas al ensayo de flexión (finalizada la marcación de la luz de 10 mm de lado y lado representado en la figura 3, como indica la norma para aprovechar el proceso de saturado superficialmente seco. El montaje ejecutado en esta prueba se presenta a continuación:

Los resultados expuestos son un resumen del proceso de cálculo posterior a la elaboración de cada ensayo en las instalaciones del laboratorio SOAL INGENIERIAS S.A.S.

Los resultados obtenidos en el ensayo del módulo de rotura para la dosificación 1:2 se esperaban más cercanos a lo exigido por la norma, ya que posee más cemento que las demás dosificaciones y solo el testigo (se esperaba que cumpliera) y la sustitución de 5 % de GCR excedió el valor de 4,2 Mpa. Cabe resaltar que los valores para 7% y 9% no se alejan tanto del objetivo, están muy cercanos al exigido por la norma técnica colombiana.

La dosificación 1:3 evidencia que a mayor sustitución de agregado pétreo por GCR se obtuvo un módulo de rotura menor por promedio de cinco especímenes, sin embargo, superan el valor promedio del testigo lo cual no solo excede el valor, sino que también el nuevo adoquín con GCR supera los alcances de resistencia que los actuales adoquines tradicionales. De lo anterior también se puede concluir que la dispersión del (Mr) en la sustitución del material reciclado crece conforme se sustituye mayor cantidad de GCR evidenciando rendimientos de (14,54 % para 5 %), (10,9 % para 7 %) y (5,45 % para 9 %) por encima del 5,5 Mpa del valor promedio de los testigos.

Analizando la figura 6 se observa que en la dosificación 1:4 a mayor sustitución de agregado pétreo por GCR se obtiene un módulo de rotura menor por promedio de cinco especímenes; únicamente satisface el promedio testigo lo indicado en la norma, lo cual indica que al realizar adoquines reciclados con 5 %, 7 % y 9 % a edad de 28 días no se obtiene la resistencia exigida por la norma.

Con un valor de 5,0 Mpa para la mezcla 1:5 y un contenido de 5 % de GCR, fue el único valor superior en comparación con el 4.2 Mpa exigido por la norma técnica colombiana, inclusive por encima del valor testigo que también presentó un mal desempeño en esta prueba. Básicamente, por tener un material poco homogéneo en la mezcla de mortero, el comportamiento estructural del adoquín produce resultados muy dispersos con fallas repentinas para el módulo de rotura.

Para realizar este ensayo se tomaron las cinco réplicas respectivas por dosificación y porcentaje sustituido de GCR, para luego fallarlo en la maquina universal como se muestra en la figura 6. Cada adoquín fue designado con un número del uno al cinco y el porcentaje de material reciclado que tenían. Los adoquines fueron ensayados a la edad de 28 días, misma edad de ensayo para las pruebas anteriores.

Los resultados que se muestran a continuación son un resumen del proceso de cálculo posterior a la elaboración de cada ensayo en las instalaciones del laboratorio SOAL INGENIERIAS S.A.S.

Evaluando las muestras obtenidas a los 28 días de haberse fundido los diferentes adoquines, todas las dosificaciones resultaron insatisfactorias a la resistencia a compresión para la que fue proyectado el mortero (R'mm) al momento de emplear la metodología usada por Rivera (2013). A mayor sustitución de agregado pétreo por GCR, en general, se obtuvo una menor resistencia por promedio de cinco especímenes, no obstante, se evidenció que las mezclas con contenido de agregado reciclado de 5 %, 7 % y 9 % para la dosificación 1:3 se comportaron de forma similar a la prueba por absorción de agua ( a medida que aumenta el % a sustituir de GCR, crece la resistencia), siendo indiscutible que el adoquín para la dosificación 1:3 tuvo el mejor rendimiento con la adición de GCR en todos los ensayos a los que fue sometido.

De manera que los resultados obtenidos en el diseño de experimento y la aplicación de la prueba de Dunnet fueron conexos a los obtenidos experimentalmente, y en ese orden de ideas, los datos obtenidos experimentalmente se justificaron estadísticamente.

Se diseñaron cuatro dosificaciones de mezcla y fabricamos adoquines peatonales con 5 %, 7 % y 9 % de grano de caucho reciclado en proporción volumen a la arena de cada diseño, y se fabricaron adoquines sin grano de caucho reciclado para comparar los resultados (testigos). Según la norma nacional NTC 2017 la absorción de agua para los adoquines no debe ser superior a 7 % como valor promedio de cinco especímenes; los resultados obtenidos a 28 días arrojaron que solo las dosificaciones 1:2 y 1:3 cumplen satisfactoriamente lo exigido por la norma, mientras que las dosificaciones 1:4 y 1:5 no satisfacen el valor mínimo como indica la norma (con excepción de 1:5 con 5 % de remplazo) para este caso el porcentaje de absorción tiende a ser elevado, y en consecuencia, desfavorable. Esto puede atribuirse a que las dosificaciones calculadas para 1:4 y 1:5 requieren de mayor cantidad de agregado fino para la mezcla, en términos de volumen se incrementaban los porcentajes a sustituir de (5, 7, 9) por ciento. La mezcla de diseño con mejor rendimiento según los resultados obtenidos fue la 1:3 con 9 % de GCR, seguidamente su remplazo en 7 % de GCR y luego en 5 % de GCR.

Los módulos de rotura (Mr.) más altos y en cumplimiento con la Norma Técnica Colombiana -NTC- que se alcanzaron con las pruebas realizadas a los adoquines con material reciclado, fueron los obtenidos nuevamente por de la dosificación 1:3, esta vez con 5 % de GCR, seguidamente su remplazo en 7 % de GCR y luego en un 9 % de GCR por ciento de sustitución, superiores incluso a su muestra testigo lo que prueba que para las cantidades de material de la dosificación 1:3 el GCR aporta características especiales que contribuyen al aumento del módulo de rotura. Además, se probó que al sustituir un 5 % de GCR en las dosificaciones 1:2, 1:4 y 1:5 se satisface el valor exigido en la norma de 4,2 Mpa.

Se comprobó que al someter los adoquines al ensayo a compresión para una resistencia que fueron proyectados inicialmente, los adoquines no obtienen resultados provechosos este indicador adicional en la investigación resultó fallido.

En este orden se estableció para la investigación, que la dosificación 1:3 obtuvo las proporciones óptimas con agregados reciclados (GCR) para la fabricación de adoquines que cumplan con la norma técnica colombiana NTC 2017. Se logró cumplir con la principal motivación del proyecto, brindar una alternativa diferente para el reciclaje del caucho (material no biodegradable por el ambiente) se comprobó la hipótesis que la utilización de agregados reciclados (GCR) es de fácil aplicación en pequeñas industrias de producción de adoquines ”reemplazando pequeñas cantidades” indicando un ahorro de agregado fino; y este ahorro de materia prima (arena), ambientalmente hablando, mitiga posibles impactos a raíz de actividades como “explotación de las canteras naturales” y evita crear escenarios que sean fuente de contaminación y deterioro ambiental.

Según Rivera (2013), emplear la dosificación 1:3 (uno de cemento por tres de arena) final del mortero para estudiar otros porcentajes mayores de sustitución, debido a que esta obtuvo los resultados óptimos y se restringió solo para 5 %, 7 % y 9 %.

Con relación al proceso de producción en los adoquines continuar con el proceso de vibro-compactación, ya que estas mezcladoras son excelentes para este tipo de mezclas y brindan homogeneidad y cohesión en los adoquines y en consecuencia, mejoran la resistencia final.

Es un factor preponderante que al realizar la mezcla de los materiales se debe realizar primero en seco, de esta forma se garantiza la homogeneidad de la mezcla durante la hidratación.