INTRODUCCIÓN

La generación de residuos de aparatos eléctricos y electrónicos (RAEE) ha aumentado exponencialmente en las últimas décadas. Las proyecciones indican que los RAEE alcanzarán los 75 millones de toneladas para 2030, lo que representa una tasa de crecimiento del 40% desde 2019 (Balde et al., 2024). La fracción plástica de RAEE (FPR) constituye aproximadamente el 30% del peso total, y su composición varía según el tipo de dispositivo. Los componentes principales, que representan aproximadamente el 70% en peso, son acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) y poliestireno de alto impacto (HIPS) (Wäger et al., 2012). Adicionalmente, la FPR contiene sustancias tóxicas como retardantes de llama de la familia de los bifenilos polibromados (BFRs), metales pesados, antimonio, entre otros, lo que complica su tratamiento y recuperación (Signoret et al., 2020). Si bien los retardantes de llama desempeñan un papel crucial en la seguridad contra incendios, las preocupaciones sobre su impacto ambiental y los posibles riesgos para la salud de los trabajadores y los consumidores han dado lugar a regulaciones y, en algunos casos, a prohibiciones de su uso y aplicación (Ilankoon et al., 2018). En la industria de la construcción, el uso de plásticos reciclados como agregados en morteros de cemento ha sido ampliamente estudiado, lo que ha dado lugar a materiales con características técnicas distintas en comparación con los morteros que contienen agregados naturales (Saikia & de Brito, 2012). Más específicamente, la investigación se ha centrado en el uso de FPR triturado como reemplazo parcial de arena en morteros (Devi & Kumar, 2020; Makri et al., 2019), demostrando que estos materiales mejoran las propiedades físicas y mecánicas de los compuestos de matriz cementicia. Sin embargo, otros estudios han demostrado que en contacto con el ambiente alcalino del cemento, la FPR libera retardantes de llama por lixiviación, lo que genera contaminación ambiental y un peligro potencial para los usuarios (Cappelletti et al., 2021; Gómez et al., 2020). Para abordar este problema y permitir el uso seguro de la FPR en la construcción, se desarrolló una tecnología de estabilización tipo Core-Shell. Esta tecnología implica recubrir un núcleo de FPR con capas sucesivas de cemento Portland y aditivos estabilizantes, para obtener un agregado plástico reciclado (RPA), el cual puede usarse como reemplazo parcial de agregados naturales en morteros de cemento (Baronetto et al., 2023). El RPA resultante derivado de FPR se ha utilizado con éxito en la producción de mampuestos como ladrillos y bloques, así como agregado en morteros para la fabricación de paneles (Peisino et al., 2021).

El mortero con este APR en reemplazo de arena tiene menor densidad por el incremento de la porosidad, (Kreiker et al., 2024).Estas propiedades sugieren que podrían tener un mejor rendimiento térmico de las paredes y los componentes del edificio, ya que la naturaleza polimérica de los materiales contribuye a sus capacidades aislantes. Se ha demostrado que los agregados plásticos reciclados utilizados como reemplazo de agregados naturales, generalmente disminuyen la conductividad térmica (Basha et al., 2020; Sanyal et al., 2023). En el mismo sentido, las mezclas de concreto alivianado con caucho y otros plásticos mostraron propiedades de aislación térmica mejoradas (Ahmed & Tobbala, 2024), lo que demuestra la relación entre la disminución de la densidad en el concreto con la disminución de la conductividad térmica para materiales similares.

En este trabajo se presentan los resultados de la determinación de la conductividad térmica de morteros fabricados con RPA elaborado con el Core-Shell como reemplazo total de agregados naturales, en combinación con otros materiales como caucho reciclado de neumáticos usados, perlita (vidrio volcánico amorfo utilizado como material aislante en la construcción) y poliestireno expandido (EPS) que mejoran las propiedades aislantes de los morteros. En todos los casos, la relación entre la conductividad térmica y la densidad de los morteros está dentro de los resultados predecibles. Se utilizó la norma IRAM 11559:1995 para la determinación de la conductividad térmica y la norma IRAM 1733:1998 para la determinación de la densidad aparente. Los valores de conductividad térmica de RPA se compararon con otras matrices cementicias. Los resultados indican que los morteros con RPA muestran una disminución en la conductividad térmica de los morteros, posicionándolo como un material altamente adecuado para su uso en cerramientos de paredes interiores y exteriores, como así también para la fabricación de mampuestos para muros.

MATERIALES

El FPR fue suministrada por la empresa Ecotech. Consistente en una mezcla de plásticos de varios dispositivos electrónicos, sin separación por tipo de polímero, triturados en un molino a un tamaño de partícula de 3 mm. Para la conformación de la coraza, se usó cemento Portland CPF40, suministrado por Holcim, fabricado según la norma IRAM 50000:2021. Los aditivos estabilizantes empleados fueron carbón activado CAE 061 y CAE ULTRA provistos por Clarimex. El caucho reciclado procedente de neumáticos fuera de uso fue suministrado por una empresa local que comercializa estos residuos triturados a 3 mm. La perlita fue provista por proveedores locales que la comercializan a granel para aligerar losas y morteros en la construcción; es un material amorfo con un contenido de SiO₂ y Al₂O₃ superior al 87%, y mostró un tamaño promedio de 3 mm. El poliestireno expandido (EPS) se suministró en bolsas a granel para alivianar morteros y losas en un tamaño promedio de 3 mm. El agua utilizada fue de la red de abastecimiento local. El agregado natural fue arena del río de Córdoba, Argentina.

METODOLOGIA

Se utilizó una metodología experimental cualitativa y cuantitativa para un desarrollo experimental de laboratorio y diseño de materiales (Ashby, 2011), con las etapas de planteo de hipótesis, búsqueda bibliográfica y normativa, diseño de experimentos, análisis de resultados y propuestas de aplicaciones. En este diseño experimental se elaboraron tres tipos de RPA: RPA-1 fabricado con FPR como núcleo, con una coraza de cemento Portland sin carbón activado. RPA-2 y RPA-3 se elaboraron utilizando FPR como núcleo, con cemento Portland en la coraza, solo se diferenciaron en el tipo de carbón activado utilizado, CAE 061 y CAE Ultra, en una proporción de 2,2% en relación con la masa total, respectivamente.

Los RPA se elaboraron de acuerdo con la estrategia Core-shell descrita previamente (Gómez et al., 2020), de la siguiente manera: Las partículas de FPR de 3 mm se colocaron en un mezclador. Luego, se roció agua para aumentar la adherencia de la coraza. A continuación, utilizando la máquina mezcladora, se añadió la mezcla de cemento con carbón activado en pequeñas porciones, favoreciendo la mezcla mediante movimientos envolventes manuales. La relación agua/cemento (a/c) fue ajustada entre 0,4 - 0,5, hasta lograr una buena trabajabilidad de la mezcla de recubrimiento. Esta etapa se repitió para obtener 3 capas de cemento Portland con aditivos. El tiempo de curado para cada capa fue durante la noche. Finalmente, el RPA se curó por inmersión en agua durante 14 días a 20 °C.

La Figura 1 resume gráficamente la estrategia de encapsulamiento del plástico por Core-shell para la elaboración de los RPA.

Figura 1

Elaboración de RPA's.

Imagen creada por los autores

Se realizaron placas de 30x30x4 cm para la determinación de la conductividad térmica, utilizando cemento Portland y los diferentes agregados de acuerdo con las proporciones descriptas en la Tabla 1. El módulo de finura para todas las mezclas de agregados se determinó de acuerdo con la norma IRAM 1505:2019.

Tabla 1

dosificación de morteros para ensayos de conductividad térmica. Los dosajes informados corresponden a proporciones en volumen.

Las placas de mortero se prepararon mediante el siguiente procedimiento: Se colocó un agente desmoldante y un film de polietileno en la base de un molde de metal. Las mezclas de agregados y cemento Portland se mezclaron en un mezclador orbital de 5 L, con agua agregada gradualmente hasta alcanzar la relación de a/c informada. En todos los casos se logró una consistencia de mortero con buena trabajabilidad. Luego, se vertió el mortero en el molde, se alisó su superficie con una fina capa de pasta de cemento y se dejó reposar durante la noche. Al día siguiente, se retiró del molde y se curó por inmersión en agua a 20 °C durante 28 días. Una vez finalizado el proceso de curado, se secó a temperatura ambiente durante 7 días. Finalmente, las placas se secaron en horno a 40 °C hasta verificar la estabilidad de la masa (aproximadamente 24 horas). La Figura 2 muestra una placa típica para la prueba de conductividad. Se prepararon dos especímenes por formulación.

Figura 2

a) y b) proceso de preparación de placas de mortero; c) placa de mortero lista para prueba

La conductividad térmica se determinó de acuerdo con el método descrito en la Norma IRAM 11559:1995. El equipo utilizado se construyó en CEVE y se calibró contra estándares de materiales conocidos, con valores de conductividad similar a la del material ensayado. La Figura 3 muestra el equipo utilizado.

Figura 3

a) Placas de mortero montadas en el equipo. b) Proceso de aislamiento. c) Proceso de medición.

La densidad informada (d) de las muestras corresponde a la densidad aparente, calculada en base a la relación entre la masa seca y el volumen, éste último obtenido utilizando la fórmula largo*ancho*espesor. Los valores informados de d corresponden al promedio de dos placas con la desviación estándar. Posteriormente, las placas de mortero se dejaron aclimatar a 23 °C en el horno antes de la prueba. Se colocaron dos muestras idénticas para cada placa en el aparato de medición. Las mediciones se tomaron después de establecer el régimen de temperatura en estado estacionario, a intervalos sucesivos de una hora, durante un período mínimo de cuatro horas. La diferencia de temperatura entre las placas fría y caliente se registró con una precisión de 0,1 °C. Para controlar el calentamiento se utilizó la potencia de la corriente eléctrica, midiendo la intensidad de voltaje y corriente. La conductividad térmica λ se determinó mediante la ecuación 1. Los valores de λ informados en la Tabla 2 son el promedio de tres mediciones con desviación estándar para cada material. Considerando que cada ensayo mide la conductividad de 2 placas, el total de muestras ensayadas es de 6 por material.

Donde Q = Caudal de calor (W) relacionado con la energía eléctrica, d = distancia entre placas en m, A = Superficie en m2, ΔT = diferencia de temperatura entre placas en K.

DISCUSION DE RESULTADOS

Para cada placa de mortero, se determinaron parámetros físicos como las dimensiones y el peso después del secado para calcular la densidad aparente (d) del material en kg/m³. La medición de la conductividad térmica para cada ensayo requirió aproximadamente 8 h. Los datos de temperatura, como se describe en la sección de métodos, se tomaron cada una hora. En la Tabla 2 se muestran los parámetros físicos y los valores de conductividad térmica obtenidos.

En trabajos anteriores se han informado valores de conductividad térmica que oscilan entre 0,8 y 1,2 W / mK para morteros convencionales elaborados con arena y cemento Portland, lo que demuestra una fuerte correlación entre la densidad y la conductividad de la pasta (Volantino Vicente & Rodriguez Velo Jorge, 1997). En consecuencia, el valor determinado para la arena es aceptable para su uso como referencia. Además, investigaciones anteriores han explorado la relación entre la densidad del material y la conductividad térmica en agregados de hormigón livianos utilizados para mejorar las propiedades aislantes del material (Barbero-Barrera et al., 2014), así como en agregados compuestos de plásticos reciclados (Ruiz-Herrero et al., 2016). En este contexto, los valores de conductividad térmica para las muestras con RPA y otros agregados muestran una buena correlación con estudios previamente reportados, en los cuales, a menor d corresponde un valor menor de I. De esta manera, para materiales similares, la relación entre densidad y conductividad aumenta, sin embargo en placas fabricadas con diferentes materiales no es posible encontrar una relación lineal, como es el caso de RPA-2@Cau, la cual presentó mayor densidad que los RPA pero menor conductividad térmica.

Tabla 2

Propiedades físicas y conductividad térmica de los morteros

El uso de FPR como reemplazo total de la arena en el mortero arrojó un valor de 0,138 W/mK, lo que lo convertiría en un material muy adecuado para su uso como material aislante. Sin embargo, en este estudio, se empleó únicamente como referencia para la comparación con RPA, ya que el uso de residuos plásticos no estabilizados libera retardantes de llama a través de la lixiviación. Del mismo modo, RPA-1, que no tiene carbón activado como estabilizante, no es apto para su uso en la construcción, a pesar de tener una buena capacidad aislante. Por otro lado, las placas de mortero RPA-2 y RPA-3, aunque tienen un valor ligeramente superior de l, son valores similares y cercanos a 0,2 W/mK, lo que puede considerarse un material con baja conductividad térmica. La placa con la adición de EPS mostró un excelente rendimiento como aislante térmico en combinación con RPA.

La Figura 4 y Figura 5 muestran la relación entre l y d, revelando una tendencia creciente excepto para el RPA@Cau. Considerando que RPA-3 es el agregado que mostró el mejor desempeño para la estabilización de contaminantes presentes en la FPR (Cappelletti et al., 2021) y exhibió un valor aceptable de l en este estudio, su conductividad térmica se comparó con otras mezclas de mortero comúnmente utilizadas para producir mampostería alivianada.

Figura 4

Relación entre conductividad térmica y peso específico para los diferentes materiales estudiados.

Figura 5.

Conductividad térmica de los morteros alivianados usados en la construcción

La conductividad de RPA-3 fue ligeramente superior a la de la mezcla utilizada para los ladrillos de PET, que se fabrican en varios emprendimientos de economía circular en Argentina (Peisino et al., 2024), donde una de las principales ventajas es su comportamiento térmico. Lo mismo se observa con otras mezclas, utilizadas principalmente para losas de techo, como el cemento con EPS y perlita, que exhiben muy buenas propiedades mecánicas y por lo tanto se utilizan con frecuencia en techos, proporcionando un muy buen comportamiento térmico de los edificios. Comparativamente, todos los materiales alternativos utilizados para losas ligeras demostraron un mejor rendimiento térmico que el mortero tradicional con arena. Así, RPA-3 podría utilizarse tanto para la fabricación de materiales de construcción como para aliviar cubiertas de cubiertas, mejorando el rendimiento térmico del mortero.

CONCLUSIONES

El uso de plásticos RAEEs estabilizado a través de la estrategia Core-shell ofrece una alternativa prometedora para aplicaciones de construcción. Estudios anteriores han destacado las propiedades mecánicas del material, demostrando su potencial para reemplazar total o parcialmente la arena en la producción de componentes de construcción o mampostería, manteniendo las propiedades físicas y mecánicas requeridas para el uso previsto. Además, se ha demostrado que la estrategia Core-shell estabiliza eficazmente los componentes metálicos y orgánicos presentes en los plásticos RAEEs. Este trabajo enfatiza además que los materiales poliméricos exhiben buenas propiedades aislantes, reduciendo significativamente la conductividad térmica en comparación con los morteros tradicionales con agregados naturales.

La propuesta de utilizar RPA-3 se basa en su capacidad para estabilizar contaminantes potenciales y su desempeño térmico favorable.

Se están llevando a cabo estudios de simulación del comportamiento térmico de muros construidos con mampuestos elaborados con el APR, en prototipos de viviendas típicas en Córdoba, Argentina, lo cual aportará una visión más profunda de los beneficios de este material y los requisitos para su uso potencial en sistemas constructivos.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer al Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) y a la Asociación Vivienda Económica (AVE) por sus aportes al sostenimiento del personal y las instalaciones para llevar adelante el trabajo de investigación. Se agradece el aporte de la D.I. Vanina Greppi y del Dr. Julián González Laria por su apoyo en las fases experimentales de este trabajo de investigación.

Financiamiento: No hay fuentes de financiamiento para declarar, debido a la suspensión del apoyo financiero por parte del gobierno argentino.

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