Proceedings of the 1st Iberic Conference on Theoretical and Experimental Mechanics and Materials /

11th National Congress on Experimental Mechanics. Porto/Portugal 4-7 November 2018.

Ed. J.F. Silva Gomes. INEGI/FEUP (2018); ISBN: 978-989-20-8771-9; pp. 809-816.

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PAPER REF: 7416

FABRICACIÓN DE CUBIERTAS IMPERMEABILIZANTES A PARTIR DE MATERIAL RECICLADO Carmen Mª Abreu1(*), Mayrén Echeverria2, Carlos A. Echeverría3, Adel Ortega3, Harold García3 1Grupo ENCOMAT, Escuela de Ingeniería Industrial, Universidad de Vigo. CP 36310 Vigo, España 2Department of Civil and Environ. Engineering. Florida International University, FL 33174, Miami. USA 3Centro de anticorrosivos y tensoactivos (CEAT) de la Universidad de Matanzas. Cuba (*)

Email: cabreu@uvigo.es

RESUMEN

El asfalto natural y el derivado de la refinación del petróleo se han empleado en el desarrollo de mezclas con polímeros para su aplicación en carreteras y para la impermeabilización; pero resultan susceptibles a la salinidad del ambiente, a la radiación ultravioleta, entre otras afectaciones. En el presente trabajo se diseñó un experimento con una nueva composición de asfalto con polímero (MAP), acompañado de un ligante obtenido por síntesis química que mejora sus propiedades. Se desarrolló la tecnología a escala de planta piloto para las mejores composiciones, basadas en el empleo de importantes contaminantes/residuales como la viruta de goma de neumáticos usados, el aceite usado de motores de combustión interna y otros residuales que impactan al medio ambiente en Cuba y muchos países. Se ejecutó un experimento de campo con la impermeabilización de cubiertas, que tras 2 años de exposición a la intemperie no mostró afectaciones. Además, se inició la aplicación del MAP en la impermeabilización de viviendas prefabricadas de familias de bajo ingresos del municipio de Calimete (Matanzas, Cuba), como parte de un proyecto de colaboración internacional con la Agencia Española de Cooperación Internacional para el Desarrollo (AECID) coordinado por la Universidad de Vigo, Galicia, España. El resultado impactó positivamente a la comunidad de Calimete, al dar solución al principal problema de sus viviendas en estos momentos, así como al medio ambiente. Además, este resultado resulta sostenible ya que permite con las tecnologías desarrolladas crear capacidades y ampliar la respuesta a otras comunidades.

Palabras-clave: Asfalto modificado con polímero, cubiertas impermeabilizantes, caucho reciclado, fabricación.

INTRODUCCIÓN

Dentro de los principales contaminantes del medio ambiente que pueden ser reciclados se encuentra la goma de neumáticos usados, que no es biodegradable y genera otros daños al medio ambiente [1]. Solamente en Estados Unidos, se desechan al año alrededor de 50 millones de neumáticos, y se estima que existen de 2 a 3 billones de estos desechos acumulados en dicha nación. Aproximadamente el 10% de estos residuos son incinerados, cerca del 4% son exportados a otros países para ser incinerados, otro 2% es usado en caucho asfáltico y solamente un 2% es reciclado y usado en el desarrollo de otros productos [2]. Lo anteriormente expuesto demuestra que el reciclado es aún insuficiente, en Estados Unidos y Europa existe una clara preocupación con la gestión de los desechos para lo cual se han

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aprobado normativas y leyes para crear consciencia sobre el reciclaje y así obtener beneficios tanto económicos como medioambientales [1]. En respuesta a estas demandas los autores reportan experiencias de la utilización de la goma reciclada en la obtención de láminas impermeabilizantes.

Otro de los contaminantes que aún no posee una total solución en Cuba, es el aceite usado de los motores de combustión interna. En la legislación europea existen métodos de regeneración de estos aceites lubricantes constituyendo un ahorro considerable de materias primas para la producción de otros productos. Al respecto, Unissa y Hassanpour [3] han reportado que los aceites lubricantes usados se pueden reciclar para producir otros materiales como betún asfáltico, que se utiliza para producir telas impermeabilizantes, pinturas, tintas y fertilizantes o en el asfaltado de carreteras.

Otro residuo de la refinación del petróleo es el cemento asfáltico (denominado asfalto en Europa), el cual es usado para la elaboración de mezclas asfálticas para pavimentación, impermeabilización, entre otros; pero se considera vulnerable a la salinidad del ambiente y la radiación UV, lo que contribuye a su envejecimiento [4]. Precisamente todos estos contaminantes y residuos constituyen una fuente de materias primas para la obtención de impermeabilizantes, basados en la Modificación de Asfaltos con Polímeros (MAP).

Los polímeros tienen diversas aplicaciones y dentro de ellas son empleados para aumentar la viscosidad del asfalto, además de brindarle mejores propiedades mecánicas como mayor resistencia a deformaciones permanentes y en especial su recuperación elástica.

El trabajo que se presenta forma parte de un Proyecto de Cooperación co-financiado por la AECID que tiene como objetivo la impermeabilización de cubiertas de viviendas familiares del municipio de Calimete ubicado en la provincia de Matanzas, Cuba. Las tecnologías de producción y aplicación de los impermeabilizantes de cubiertas (elaboradas con material compuesto, MAP) proporcionan soluciones innovadoras. Por un lado, resuelven el impacto ambiental que ocasionan por separado los constituyentes del MAP. Por otro solucionan uno de los grandes problemas de los sectores más desfavorecidos de la población de bajos ingresos en Cuba, la impermeabilización de cubiertas (techos) de sus viviendas.

Una primera modificación del cemento asfáltico y que contribuye a la solución innovadora, es la obtención de un mastico o mástique asfáltico (MA), producto de la síntesis química de un jabón con aceite usado y cemento asfáltico.

La modificación del asfalto con polímero se completa con su mezcla con viruta de goma de los neumáticos usados, material no biodegradable como se señaló, que resuelve además otro gran problema de salud ambiental, al ser los neumáticos usados hospedero de vectores (roedores e insectos) entre ellos mosquitos como el trasmisor del dengue, enfermedad que se ha presentado en Cuba y otros países del Caribe y Latinoamérica.

Las virutas de neumáticos usados como modificador del MA, se obtienen actualmente en las plantas recapadoras, que desechan este contaminante y crean las bases de la generalización de su uso a partir del caucho molido de neumáticos de desecho en plantas que no posee el país.

El trabajo se justifica por dos motivos: buscar una salida viable a los desechos de neumáticos usados, aceites usados y otros residuales sin solución en su totalidad en estos momentos, logrando un beneficio ecológico y por otra parte aportar e impactar socialmente al dar soluciones a la impermeabilización de viviendas de sectores vulnerables de la población.

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MATERIALES Y MÉTODOS

Materiales

El mástique asfáltico modificado con polímero (MAP), está constituido por una matriz asfáltica, un relleno polimérico (goma o caucho) y un agente ligante. El cemento asfáltico (asfalto) procede de la planta Ñico Lopez de Cuba, no contiene áridos y se corresponde con un asfalto 70/80 de grado de penetración. El polímero (polvo y/o viruta de caucho) usado proviene de una planta recapadora de neumáticos usados de Cuba. Este material se tamiza y se obtienen virutas de tamaño definido (>1,5 mm y <3 mm). Las virutas de mayor tamaño se usan para otras aplicaciones entre ellas para añadir más polímero directamente sobre la superficie del producto aplicado en la impermeabilización formando una capa resistente a la radiación UV, a los impactos de partículas entre otras ventajas. El agente ligante o jabón se obtiene en la Planta Piloto del Centro de Anticorrosivos y Tensoactivos (CEAT), de la Universidad de Matanzas, mediante un procedimiento patentado por los investigadores del CEAT. Durante el proceso de síntesis química del ligante se emplean como materias primas aceites usados de motores de combustión interna y residual de la producción del medicamento Policosanol. Una vez finalizada la síntesis química del jabón, este se mezcla con el cemento asfáltico líquido y se obtiene el mástique o mastico asfáltico (MA). El MAP se obtiene mezclando posteriormente el MA en estado líquido con el polímero.

Preparación de Muestras

Los investigadores cubanos realizaron un diseño de experimento de tipo factorial con dos variables a 3 niveles (32), mediante el software Design-Expert 7.00. Las variables fueron el asfalto (A) y el polvo y/o viruta de neumáticos (P) (polímero basado principalmente en caucho vulcanizado), que se estudiaron en los niveles (40%, 45% y 50%) y (15%, 20 y 30%), respectivamente. Como resultado se obtuvieron 9 experimentos que se detallan en la Tabla 1.

Tabla 1 - Diseño factorial 32 para las variables asfalto y polímero.

MAP: mastico asfáltico modificado con polímero; A: asfalto; P: caucho

Experimentos Componentes (% p/p)

A P

1 (MAP-1) 50 15

2 (MAP-2) 45 30

3 (MAP-3) 40 30

4 (MAP-4) 40 20

5 (MAP-5) 45 20

6 (MAP-6) 45 15

7 (MAP-7) 50 30

8 (MAP-8) 40 15

9 (MAP-9) 50 20

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Las variantes de MAP resultantes de este diseño se identificarán como MAP seguido del número del experimento. Así, por ejemplo, MAP-1 se referirá al experimento 1 que es un mastico asfáltico con polímero que contiene 50% de asfalto y un 15% de polímero (Tabla 1). Los porcentajes de polímero (Tabla 1) se calcularon a partir de la masa de MA (asfalto + ligante) total correspondiente al 100%. Ejemplo: Una variante que tenga 40% de cemento asfáltico tendrá un 60% de ligante, constituyendo el 100%. Al mastico asfáltico anterior se le incorpora un 15%, 20% o 30% en peso de caucho, respecto al peso del mastico.

Se realizó una evaluación preliminar de las muestras por parte de los investigadores cubanos, y posteriormente se completó la caracterización físico-química por parte de los investigadores del grupo ENCOMAT de la Universidad de Vigo, España. Se concluyó que el material compuesto (MAP) evaluado es adecuado e idóneo para la aplicación como cubierta impermeabilizante (sólo o con láminas). No obstante, se comprobó que las mezclas con una elevada cantidad de ligante y poco % de polímero añadido (ejemplo MAP-8) presentan índices de penetración elevados y una disminución del punto de ablandamiento, lo que no es adecuado para asfaltos utilizados sin láminas en aplicaciones de impermeabilización en un país como Cuba donde la temperatura ambiental es elevada.

RESULTADOS

Proceso tecnológico de fabricación

El proceso tecnológico puede ser simplificado en tres operaciones básicas: preparación de virutas de caucho, obtención por síntesis química del agente ligante y preparación del cemento asfáltico caliente.

El cemento asfáltico se almacena en un tanque que tiene que tener un sistema de calentamiento para suministrar el asfalto caliente al equipo de mezclado, donde se tiene que preparar el mástique asfáltico con goma.

En el equipo de mezclado se coloca el crudo asfáltico caliente (120 º C) y se le añade el agente ligante y la viruta de goma que requiere cada composición para obtener el producto final en forma semisólida una vez almacenado y frío.

Experimento de campo con el producto impermeabilizante

El experimento de campo con el producto impermeabilizante se realiza en instalaciones del CEAT de la Universidad de Matanzas (Cuba). Se estudiaron dos variantes del producto: sin

lámina impermeabilizante superficial y con lámina impermeabilizante de capa superficial. Esta última variante se empleó en las viviendas habitantes de bajos ingresos para reparar o reciclar las láminas existentes que frecuentemente se despegan dejando de impermeabilizar las cubiertas.

El proceso sin lámina impermeabilizante de acabado final consta de los siguientes pasos:

1) Limpieza superficial e impermeabilización de grietas con aditivo y cemento.

2) Aplicación de tinta impermeabilizante líquida (obtenida disolviendo MAP en solvente).

3) Aplicación del MAP caliente en estado líquido.

4) Aplicación de virutas de goma formando una capa superficial.

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En la secuencia fotográfica (Figuras. 1-6) se observan los diferentes pasos aplicados el 18 de mayo de 2016 y el estado actual del impermeabilizante de cubierta a 2 años de aplicado (Figura 6).

Fig. 1 - Limpieza inicial. Fig. 2 - Tinta aplicada. Fig. 3 - Aplicación del MAP.

Fig. 4 - Aplicación de viruta. Fig. 5 - Acabado Final. Fig. 6 - Estado a los 2 años.

Aplicación del producto en cubiertas de viviendas en comunidad de Calimete

Las etapas de la tecnología de aplicación coinciden con las del experimento previo, lo que se puede observar en la secuencia fotográfica (Figuras. 7-15) que se muestra a continuación.

Se destaca el grado de deterioro de los techos que incluye la presencia de grietas, así como microorganismos que se desarrollan con las humedades.

Fig. 7 - Estado inicial de las

cubiertas (interior). Fig. 8- Estado inicial de las

cubiertas (exterior). Fig. 9 - Estado inicial de las grietas

(exterior).

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Fig. 10 - Limpieza de grietas. Fig. 11 - Aplicación de la tinta. Fig. 12 - Aplicación del MAP.

Fig. 13 - Aplicación de la viruta. Fig. 14 - Acabado final. Fig. 15 - Cubierta impermeabilizada.

Etapas:

1) Limpieza superficial e impermeabilización de grietas con aditivo y cemento.

2) Aplicación de tinta impermeabilizante líquida.

3) Aplicación del MAP caliente en estado líquido.

4) Aplicación de virutas de caucho formando una capa superficial.

Con la composición aplicada, por cada 1000 m2 de superficie impermeabilizada se consumen 1960 Kg de viruta de goma de neumáticos y 1795 litros de aceite usado de motores de combustión interna, contaminantes muy peligrosos que impactan el medio ambiente.

En las viviendas intervenidas con familias de bajos ingresos, habitan discapacitados, ancianos, mujeres solteras y niños. Algunos de sus integrantes padecen enfermedades respiratorias como el asma que se ve afectada por la presencia de microorganismos que se desarrollan con las humedades que favorece la falta de impermeabilización.

Los líderes comunitarios y la comunidad se han incorporado activamente y se han identificado con los impactos sociales y medioambientales que reporta el proyecto.

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CONCLUSIONES

De las composiciones evaluadas resultó la MAP-5 la más adecuada para la impermeabilización de cubiertas de viviendas, sólo con el producto sin láminas impermeabilizante final.

Los resultados del experimento de campo después de 2 años, reportan aún buenos resultados al no presentar afectaciones, lo que va validando la nueva composición que incorpora al MAP un ligante obtenidos por síntesis química que mejora las propiedades de la composición.

El resultado que se va obteniendo en viviendas de la comunidad de Calimete impacta socialmente a la comunidad integrada por familias de bajos ingresos, mujeres solteras con niños, discapacitados y ancianos, al mismo tiempo que contribuye a disminuir el impacto ambiental y a crear nuevas capacidades incorporadas a la comunidad para un desarrollo sostenible.

AGRADECIMIENTOS

Los autores del trabajo agradecen el financiamiento de la Agencia Española de Cooperación Internacional para el desarrollo (AECID) para la realización del Proyecto de Innovación Referencia 2015/ACDE/002880.

REFERENCIAS

[1]-Aguado L., 2010. “Reciclado de neumáticos para la fabricación de láminas impermeabilizantes en la construcción”. Tesis en opción al título de Máster en Técnicas y Sistemas de Edificación. Universidad Politécnica de Madrid, España.

[2]-Shu X., y Huang B., 2014. “Recycling of waste tire rubber in asphalt and portland cement concrete: An overview”. Construction and Building Materials,67, pp. 217-224, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.11.027.

[3]-Unissa S. A. y Hassanpour M., 2017. “Development circumstances of four recycling industries (used motor oil, acidic sludge, plastic wastes and blown bitumen) in the world”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, (72), pp.605-624. DOI: 10.1016/j.rser.2017.01.109.

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[4]-Salamanca G. J., 2007. Influencia de la contaminación salina en el envejecimiento prematuro de mezclas y tratamientos asfálticos. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. Departamento de Ingeniería Civil. Memoria para optar al título de Ingeniero Civil. Universidad de Chile.

[5]-Múnera, J. C. et al., 2010. Fabricación y análisis de asfaltos modificados con polímeros. Grupo de investigación en materiales de ingeniería, Escuela de ingeniería, Universidad EAFIT, Medellín, Colombia.