Trabajo final-POLVO DE VIDRIO (1) (1) - Santiago Cantoni Chara (1)

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Facultad de Ingeniería y Administración
Análisis y Caracterización de las Alternativas de Aprovechamiento del Polvo de Vidrio
Cantoñi Chara, S. (517512); Rodríguez Montes, N (516545); Sanabria Burbano S. (716040)
Resumen
En este estudio bibliográfico se evalúa la posibilidad de incorporar residuos de polvo
de vidrio generados en diferentes procesos industriales, como la fabricación, corte y pulido
de láminas de vidrio además de otras aplicaciones. Para ello, el polvo de vidrio se
caracteriza de acuerdo a su composición físico-química y actividad puzolánica por medio de
diversas pruebas como lo son la fluorescencia de rayos x, difracción láser y la prueba de
fratini, luego se incorpora en diferentes proporciones como sustituto del cemento en la
fabricación de morteros, hormigones, capas asfálticas y baldosas. Posteriormente, se analiza
su efecto en pruebas de resistencia mecánica, como resistencia al corte, a la flexión y a la
tracción. También, se verifica su comportamiento como puzolana y se ratifica la posibilidad
de incorporarlo al hormigón al reducir su contenido de cemento y convertirlo en un material
más sostenible.
Así mismo, para utilizar residuos reciclados de cualquier componente como
agregados en materiales de construcción, se hace necesario verificar su impacto ambiental,
ya que representa un aspecto esencial que debe cuantificarse en los materiales de desecho en
general. Por tanto, los experimentos de lixiviación y ecotoxicidad en hormigones, cementos y
materiales de construcción son procedimientos que garantizan la idoneidad de los residuos a
usar y aseguran la creación de nuevos destinos para materias que pudiesen terminar su ciclo
de vida en los diferentes vertederos.
Palabras clave: ecotoxicidad; cemento; vidrio; puzolana; hormigón.
En los últimos años, uno de los principales problemas ha sido la disminución del
número de recursos y materias primas no renovables y paradójicamente, también la reducción
de la vida útil de los rellenos sanitarios. Por este motivo, reducir la cantidad de cemento,
hormigón y otros elementos que representan el mayor volumen de materiales de construcción
utilizados, o mejorar su impacto sobre el medio ambiente, es uno de los objetivos de
sostenibilidad al que le apunta la industria en general.
Por otro lado, solo en España, el volumen de residuos de vidrio recogido y enviado a
los rellenos ha experimentado un crecimiento sostenido desde el año 2000, desde entonces
hasta principios del 2008 las cifras de reciclaje de vidrio llegaron a duplicarse, pasando del
30% hasta un 60,3%. En 2015 ya se supera en un 8% la cantidad obligada por la Unión
Europea del 60%, y en 2016 se llegó a alcanzar el 70% de todo el vidrio doméstico generado
por los ciudadanos, creando una gran disponibilidad de este residuo el cual no es
biodegradable y podría generar graves consecuencias en el medio ambiente si no se dispone y
maneja de forma adecuada.
Por estas razones, el uso de material de desecho como polvo de vidrio o subproductos
industriales del mismo como reemplazo parcial del cemento, concreto u hormigón, así como
materia prima en la estabilización de suelos y creación de espumas termoacústicas es una
estrategia viable para reducir el uso de cemento Portland y, por lo tanto, para reducir los
impactos ambientales y energéticos de la producción de concreto.
Es importante señalar que para utilizar residuos de vidrio en un material de
construcción básico como el cemento u hormigón, es necesario verificar las propiedades
químicas básicas de estos materiales de desecho seleccionados. Aparte de las propiedades
químicas básicas, su impacto ambiental también es una propiedad esencial de los materiales
de desecho en general, por tanto, este trabajo también aborda los experimentos de lixiviación
y ecotoxicidad en concretos y hormigones. Después, la ecotoxicidad de estos materiales se
verificó utilizando estándares europeos. Los resultados mostraron un impacto positivo en las
propiedades ecotóxicas de los residuos de vidrio cuando se utilizan en hormigones y
concretos.
Como resultado de esta revisión, se propone crear una nueva clasificación de
ecotoxicidad de materiales de desecho y mezclas de concreto y hormigón que contienen
materiales de reuso. Para finalizar, las mezclas de concreto, hormigón, espumas
termoacústicas y suelos con contenido de polvo de vidrio que se produjeron, se probaron y
compararon en términos de resistencia a la compresión, resistencia a la tracción dividida y
resistencia a la flexión, así como resistencia al corte, consistencia y porosidad según el caso,
obteniendo resultados que indican que el uso del polvo de vidrio proveniente de diversos
procesos proporciona una utilización de valor agregado considerable a estos residuos y
ocasiona en los materiales de construcción una disminución significativa en la producción de
gases de efecto invernadero en su producción.
Metodología
Durante la revisión bibliográfica realizada, se encontraron diversas aplicaciones en las
que el polvo de vidrio fue mezclado en diferentes proporciones con diversos tipos de
materiales de construcción, como cemento, hormigón, espumas para recubrimientos y capas
asfálticas. Para comprobar las características que los materiales anteriormente mencionados
adquirieron tras la adición de polvo de vidrio proveniente de orígenes industriales,
residenciales o empresariales, se llevaron a cabo los ensayos de caracterización a
continuación mencionados.
Caracterización físico-química
Se utilizaron diversos tipos de pruebas para determinar una caracterización precisa del
polvo de vidrio. Por medio de la difracción de rayos X se pudo establecer la geometría
tridimensional del material mientras que con ayuda de la prueba de fluorescencia se
estableció su composición química y por medio del microscopio electrónico de barrido fue
analizada la morfología. Teniendo en cuenta que el residuo de polvo de vidrio provenía de
distintos orígenes y que en algunos casos podría presentar problemas de toxicidad, se hizo
necesario comprobar los posibles riesgos mediante pruebas exhaustivas de lixiviación con
microorganismos avalados por los estándares internacionales.
Ensayos de resistencia mecánica
Las probetas de mortero, hormigón, las espumas y muestras de suelo fueron sometidas
a diversos ensayos para conocer su fuerza a la flexión y compresión, y obtener su índice de
actividad. Se produjeron tres lotes para cada tipo de material con diferente concentración de
polvo de vidrio. De cada lote, se probaron 3 muestras para determinar la resistencia a la
flexión a los tiempos de 7, 28 y 90 días , y 6 muestras se probaron para determinar la
resistencia a la compresión a los mismos tiempos edades.
Lixiviación y ecotoxicidad:
Fueron elegidas tres muestras de polvos de vidrio de desecho de diferentes fuentes, las
cuales fueron vidrio de esmerilado, vidrio de desecho municipal y vidrio fotovoltaico en
forma de polvo para evaluar su impacto en el medio ambiente. La harina de sílice se tomó
como muestra de referencia y se expuso a los mismos experimentos para comparar.
Posteriormente se procedió al diseño de las mezclas de concreto. Una mezcla de referencia
como muestra y tres mezclas de hormigón con residuos de vidrio y se realizaron
experimentos de ecotoxicidad para verificar la la ecotoxicidad de los residuos de vidrio
cuando se utilizan en materiales de construcción.
Para harina de sílice y vidrio, se mezclaron las muestras con 1000 mL de H2O durante
24 h y en consecuencia, las partículas sólidas de los lixiviados se sedimentaron y filtraron a
través de un papel de membrana con poros de 5 micras. Para muestras de concreto, se ajustó
el procedimiento de lixiviado: se colocaron cubos de concreto en botellas de 3.6 L y se
cubrieron con H2O en la proporción 100 g/1000 mL. Se taparon los frascos y se dejaron las
muestras, sin agitar, a temperatura ambiente. Después de 24 h, los cubos de hormigón se
retiraron ylos lixiviados se filtraron sin paso de centrifugación. En los lixiviados filtrados se
determinó el pH y la conductividad eléctrica a temperatura ambiente. Todos los lixiviados se
prepararon en dos réplicas. Los elementos seleccionados (B, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Cr, Fe,
Ni, Cu, Zn, As, Se, Mo, Cd, Sb, Ba, Hg y Pb) se determinaron mediante espectrometría de
absorción atómica. Se realizaron bioensayos de ecotoxicidad con lixiviados originales sin
tratar, lixiviados diluidos en rangos entre 300 y 800 ml/l y lixiviados diluidos 10 veces.
Resultados y Discusión
Se examinaron un total de 35 estudios, de los cuales 20 cumplieron con el criterios de
elegibilidad y fueron incluidos en esta revisión bibliográfica.
Estudios de caracterización
Los ensayos de caracterización físico-química realizados por diferentes autores dieron
los siguientes resultados. Para residuos de polvo de vidrio provenientes del proceso de
reciclado de vidrio reciclado, Gimenez-carbo y colaboradores determinaron la composición
química del material en estudio, tal como se proporciona en la Tabla 1. El 90% de la
composición total del material tuvo la presencia de componentes de óxido, estos fueron SiO2,
Na2O y CaO.
Tabla 1
Composición Química del Polvo de Vidrio Reciclado (% en Peso).
Nota. De “Characterization of glass powder from glass recycling process waste and preliminary testing,” de
Gimenez-Carbo, E., Soriano, L., Roig-Flores, M., & Serna, P, 2021, Materials, 14(11), p. 5
(https://doi.org/10.3390/MA14112971). CC BY.
Los difractogramas de rayos X obtenidos se representan en la Figura 1, que revela que
el polvo de vidrio estudiado es un material con una gran fase amorfa, como se indica en el
difractograma por una amplia desviación de la línea de base dentro del rango de 10–35 2θ.
Algunos compuestos cristalinos también se detectaron: cuarzo, SiO2 (Q) (PDFcard 331161),
y trazas de calcita, CaCO3 (C) (PDFcard 050586) y wollastonita, CaSiO3 (W) (PDFcard
100489).
Investigaciones anteriores han indicado que el tamaño de GP es fundamental para que el
material muestre actividad puzolánica [35]. La distribución de tamaño de la GP se evaluó 3
veces. La Figura 2, izquierda, muestra las curvas obtenidas para las tres medidas tomadas del
GP, donde se puede ver que el tamaño de la mayoría de las partículas era de alrededor de 10
micrones. La figura 2, a la derecha, muestra la distribución de tamaño de paso acumulada de
estas tres mediciones GP en comparación con no sólo el cemento utilizado en este estudio,
sino también a un humo de sílice. El gráfico muestra que la fracción de GP obtenida fue
ligeramente más gruesa que la de CEM. SF tenía, por otro lado, una gran tamaño de partícula
más pequeña, siendo la mayoría de sus partículas menos de 1 µ. SF ha sido elegido como la
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puzolana de referencia porque es muy utilizada y aparece en la norma española. El GP
molido tenía un diámetro medio de 25,6 µm con un 90% de partículas por debajo de 51,6 µm
y solo 10% de partículas por debajo de 4,4 µm. (Gimenez-Carbo et al., 2021, p.5).
Figura 1
Difractograma de Rayos-X del Polvo de vidrio Reciclado..
Nota. De “Characterization of glass powder from glass recycling process waste and preliminary testing,” de
Gimenez-Carbo, E., Soriano, L., Roig-Flores, M., & Serna, P, 2021, Materials, 14(11), p. 6
(https://doi.org/10.3390/MA14112971). CC BY.
Figura 2
Distribución de partícula del Polvo de Vidrio Reciclado y Comparación con Otros Materiales en Estudio.
Nota. De “Characterization of glass powder from glass recycling process waste and preliminary testing,” de
Gimenez-Carbo, E., Soriano, L., Roig-Flores, M., & Serna, P, 2021, Materials, 14(11), p. 6
(https://doi.org/10.3390/MA14112971). CC BY.
https://doi.org/10.3390/MA14112971
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La morfología de las partículas del polvo de vidrio reciclado, además de la
distribución granulométrica, se convierten en temas de estudio para futuras investigaciones.
Dichas propiedades podrían tener una influencia directa sobre el carácter puzolánico del
material. Por tal razón es importante estudiar métodos de molienda alternativos, que
garanticen desechos de polvo de vidrio más finos.
Es importante mencionar que diversos autores manifiestan que las propiedades fisicas
y quimicas de diferentes muestras de polvo de vidrio, corresponden en gran medida al tipo de
vidrio del cual se originó el residuo de polvo de vidrio, en este caso solo se evidencian
pequeñas alteraciones en algunas propiedades físicas del material, mientras que propiedades
como el color, olor y la densidad en agua permanecen iguales. Tal es el caso del vidrio
templado y del residuo de polvo que se genera en el proceso de cortado y pulido del material.
En la tabla 2 se muestran algunas de las propiedades del vidrio templado.
Tabla 2
Características Físicas Y Mecánicas Convencionales del Polvo de Vidrio.
Nota. De https://neufert-cdn.archdaily.net/uploads/product_file/file/73157/FICHA__TECNICA_TEMPLADO.pdf
Posterior a la caracterización del material, los autores evaluaron los resultados de
ensayos de resistencia mecánica realizados a las diferentes alternativas de aprovechamiento.
Los resultados de los ensayos de resistencia mecánica realizados a las alternativas de
aprovechamiento predilectas se muestran a continuación
https://neufert-cdn.archdaily.net/uploads/product_file/file/73157/FICHA__TECNICA_TEMPLADO.pdf
Agregado de Cemento y Polvo de Vidrio
Gimenez-Carbo et al., (2021) al reemplazar un porcentaje de cemento con
vidrio, el polvo reduce su resistencia mecánica. El efecto puzolánico del agregado
en estudio, se observó mediante la comparación de las fuerzas de compresión (ver
Figura 3). Con la variación de compresión resistencia de 7 a 60 días, el aumento de
la resistencia del mortero de control fue de alrededor del 36%, mientras que los
especímenes con reemplazo parcial de cemento con polvo de vidrio obtuvieron
mayores valores de alrededor del 42%. Este efecto fue más pronunciado al analizar
la resistencia a la compresión valores obtenidos a los 28 y 60 días. En este caso, el
valor de la resistencia a la compresión del control mortero sólo aumentó en un
3,6%, mientras que los morteros con sustitución de polvo de vidrio superaron con
creces este valor con un aumento de más del 40% para la sustitución del 25%.
Figura 3
Distribución de partícula del Polvo de Vidrio Reciclado y Comparación con Otros Materiales en Estudio.
Nota. De “Characterization of glass powder from glass recycling process waste and preliminary testing,” de
Gimenez-Carbo, E., Soriano, L., Roig-Flores, M., & Serna, P, 2021, Materials, 14(11), p. 11
(https://doi.org/10.3390/MA14112971). CC BY.
https://doi.org/10.3390/MA14112971
Polvo de Vidrio Como Material Puzolánico en Hormigón
Se observa un aumento apreciable de la resistencia a la compresión con el aumento
del porcentaje de reemplazo de cemento por polvo de vidrio del 5% al 15%. Los valores
máximos de resistencia a la compresión, resistencia a la tracción dividida y resistencia a la
flexión se encontraron en un 10% de reemplazo de cemento por polvo de vidrio. Con un 10%
de reemplazo de cemento por polvo de vidrio residual, el aumento de la resistencia a la
compresión fue del 16,56%, la resistencia a la tracción dividida fue del 7,16% y la resistencia
a la flexión fue del 6,57%. Sin embargo, el aumento de la resistencia se ha producido debido
a la acción puzolánica del polvo de vidrio. Dado que el polvo de vidrio actúa como material
puzolánico, el efecto de la carbonatación se reduce y aumenta la durabilidad del hormigón.
(Anwar, n.d, p.15-16).
Figura 4
Contenido Porcentual de Polvo de Vidrio Residual Frente a Resistencia del Hormigón (M-40)
Nota. De “The Influence of Waste Glass Powder As A Pozzolanic Material In Concrete,” de Anwar, A, n.d,
Revista Internacional de Ingeniería Civil y Tecnología (IJCIET), 7(131-148), p. 15-16
(http://www.iaeme.com/IJCIET/index.asp131http://www.iaeme.com/IJCIET/issues.asp?JType=IJCIET&VType=7&IType=6http://www.iaeme.com/IJCIET/issues.asp?JType=IJCIET&VType=7&IType=6). CC BY.
Espumas de vidrio
Los resultados obtenidos muestran que a mayor temperatura de tratamiento la
porosidad de las espumas de vidrio aumenta, lo que implica una mayor capacidad de
aislamiento térmico; sin embargo, la porosidad y la resistencia a la compresión resultan
inferiores a los reportados en la literatura . Esto se atribuye posiblemente a que un exceso de
agente espumante llevó a la formación de poros de gran tamaño localizados en zonas
preferenciales, lo que ocasionó que la distribución de la carga no sea uniforme en todo el
material, ocasionando una disminución de la resistencia a la compresión.
Tabla 2
Propiedades presentadas por la muestra sinterizada a 588°C y las espumas de vidrio obtenidas a 950°C y
1050°C.
Nota. De “Espumas de vidrio y recubrimientos poliméricos a base de butiral de polivinilo obtenidos a partir de
desechos de vidrio laminado y cenizas volantes,” de Rodríguez, C., & Meléndez, Á. M., P, 2020, Revista
Colombiana de Materiales, 15(43-50), p. 7
(https://revistas.udea.edu.co/index.php/materiales/article/view/342055). CC BY.
Finalmente, los resultados de los ensayos de resistencia mecánica de todas las
alternativas de aprovechamiento estudiadas se reflejaban de forma resumida en la tabla 3
Tabla 3 Resultados de comprobaciones mecánicas de aplicaciones del polvo de vidrio..
Nota. Elaboración propia.
Conclusiones
En los últimos años, uno de los principales problemas ha sido la disminución del
número de recursos y materias primas no renovables y paradójicamente, también la reducción
de la vida útil de los rellenos sanitarios, así cómo el incremento de los precios de materias
primas para construcción. Por este motivo, reducir la cantidad de cemento, hormigón y
elementos que representan el mayor volumen de materiales de construcción utilizados y
mejorar su impacto sobre el medio ambiente, es uno de los objetivos de sostenibilidad al que
le apunta la industria en general. Por estas razones, el uso un residuo industrial como polvo
de vidrio o subproductos industriales del mismo como reemplazo parcial de cemento,
concreto u hormigón, así como materia prima en la nivelación de suelos, mezclas para arcilla
y creación de espumas termoacústicas es una estrategia viable para aprovechar este residuo,
ya que cumplen con las normas de la resolución no 1407 del 26 de julio del 2018 y el decreto
1713 del 06 Agosto del 2002 por el cual se reglamenta la Gestión Integral de Residuos
Sólidos. Los estudios elaborados en las mezclas de concreto, hormigón, espumas
termoacústicas y suelos con contenido de polvo de vidrio que se producen, se probaron y
compararon en términos de resistencia a la compresión, resistencia a la tracción dividida y
resistencia a la flexión, así como resistencia al corte, consistencia y porosidad según el caso,
obteniendo resultados que indican que el uso del polvo de vidrio procedente de diversos
procesos proporciona una utilización de valor agregado considerable a estos residuos y
ocasiones en los materiales de construcción una disminución significativa en la producción de
gases de efecto invernadero, en cuanto a la toxicidad de este residuo se resalta que no se
encuentra en un rango que perjudique la salud humana lo cual favorece su utilización.
Recomendaciones
La realización de este estudio fue importante ya que se realizó una investigación y el
análisis que nos permitió conocer las características, normas y el uso actual que se le está
dando al polvo de vidrio. Actualmente la empresa generadora de este residuo no cuenta con la
capacidad de aprovecharlo, por lo tanto se recomienda crear alianzas con constructoras que
busquen implementar este tipo de materiales en la producción de cemento, hormigón o
concreto, recibiendo un beneficio a bajo costo y aportando a la reducción de desechos. Otra
alternativa es apoyar proyectos de investigación que buscan la implementación de este
residuo en diferentes industrias.
Con respecto a los floculantes, algunas entidades o agencias internacionales como la
EPA (Agencia de protección ambiental) y la Agencia internacional para la investigación del
cáncer (IARC), hacen énfasis en los problemas a la salud asociados a la exposición continua a
esta sustancia los cuales se manifiestan en problemas reproductivos y algunos tipos de cáncer.
En contraste, cuando la molécula entra en contacto con el medio ambiente se degrada con
velocidad gracias a la acción de los microorganismos. Entonces, es de suma importancia
manipular este tipo de sustancias con los elementos de protección adecuados y en la menor
medida posible para minimizar así cualquier reacción desfavorable.
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