Estudio de factibilidad de tubos plásticos para flujo a gravedad

fabricados con material reciclado

Ortiz Moya E.; Madero Villalta G.; Lima Guamán P.

Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería Ciencias

Físicas y Matemática, Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas, Quito, Ecuador

e-mail: prlima@uce.edu.ec

Información del artículo

Recibido: julio 2018

Aceptado: septiembre 2018

Resumen

Esta investigación presenta una alternativa para la fabricación de tuberías de alcantarillado en base a ma-

terial reciclado de la ciudad de Quito. Se sustenta la calidad de las tuberías fabricadas con polietileno de

alta densidad (PEAD) reciclado mediante los ensayos para tuberías de alcantarillado: densidad, rigidez

anular, aplastamiento entre placas, resistencia al impacto, transferencia de sustancias contaminantes des-

de el tubo hacia el agua que circula por la tubería y agrietamiento por estrés ambiental, los cuales fueron

hechos para diferentes proporciones entre material reciclado y material virgen.

Palabras clave: Polietileno de Alta Densidad, Reciclaje, Tubería para Alcantarillado, Pruebas de Calidad

en Tuberías.

Abstract

Tis research presents an alternative for the manufacture of sewer pipes based on recycled material from

the Quito city. Te quality of the pipes manufactured with recycled high-density polyethylene (HDPE) is

supported by the tests for sewer pipes: density, ring stiffness, crushing between plates, resistance to im-

pact, transfer of pollutants from the pipe to the water that circulates through the pipeline, and cracking

by environmental stress, which were made using different proportions between recycled material and

virgin material.

Key Words: High density polyethylene, recycling, Sewer pipe. Quality Testing in Pipes.

Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática

Introducción

Marco Teórico

En el país y en la ciudad de Quito la producción

I.Residuos sólidos y reciclaje

de residuos sólidos es muy alta, especialmente de

residuos plásticos, en mayor cantidad el Polieti-

Los residuos sólidos son producto de la relación

leno de Alta Densidad (PEAD). Estos residuos

del hombre con su medio, por lo que su mejor

plásticos tardan mucho tiempo en degradarse,

definición es: “Todo material descartado por la

ocupando un espacio significativo en los relle-

actividad humana, que no teniendo utilidad in-

nos sanitarios, disminuyendo así su capacidad y

mediata se transforma en indeseable” [2].

tiempo de operación. En la actualidad, en los re-

Los residuos sólidos, constituyen todos aquellos

llenos sanitarios se clasifican los materiales con la

materiales desechados tras su vida útil, y que por

finalidad de reciclarlos. Actualmente, el objetivo

sí solos carecen de valor económico. Se compo-

principal del reciclaje del PEAD es la fabricación

nen principalmente de desechos procedentes de

de mangueras para ductos eléctricos, madera sin-

materiales utilizados en la fabricación, transfor-

tética de polietileno, contenedores pequeños, re-

mación o utilización de bienes de consumo. Mu-

cipientes de varios tamaños, entre otros. Sin em-

chos de estos residuos son susceptibles de reapro-

bargo, el porcentaje de PEAD recuperado frente

vecharse o transformarse en otros productos con

al eliminado, es muy pequeño, lo que implica que

el resto va a ocupar un espacio en los rellenos sa-

un correcto reciclado, llamándose por esta razón

nitarios. Este documento presenta la alternativa

Residuos Sólidos Reciclables (RSR). Los princi-

para la elaboración de tuberías de alcantarillado

pales “productores” de residuos sólidos están en

que cumplan con las normas vigentes de desem-

las grandes ciudades, siendo las basuras domésti-

peño mecánico e hidráulico aplicadas a las tube-

cas las más voluminosas.

rías fabricadas con materia prima virgen, para el

Los RSR, se componen de varios materiales como

reciclaje del PEAD.

se indica en la figura 2, de los cuales se estima

Justificación

que se desecha alrededor de 53 925 kg de PEAD

conocido también como “soplado”. [3].

En la ciudad de Quito se ejecutan constantemente

obras de alcantarillado en las cuales se evidencia

el uso de tuberías de plástico de diferentes diáme-

tros. Por ejemplo, durante los últimos tres años

se han instalado en el Distrito Metropolitano de

Quito 202 708 m de redes de alcantarillado [1].

En la figura 1 se aprecia el incremento de redes de

alcantarillado instaladas con tuberías plásticas, lo

que refleja la creciente necesidad de tuberías.

Figura 2. Composición de los RSR generados DMQ.

Por otro lado, la Constitución de la República del

Ecuador, en los artículos 14 y 71, habla acerca de

los derechos y necesidad de conservar el medio

ambiente para garantizar así la sostenibilidad del

buen vivir. Esto significa, que en el Ecuador se

Figura 1. Redes de alcantarillado instaladas con tuberías plásticas

en el DMQ

debe impulsar las actividades como el reciclaje. [4].

Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)

II.Polietileno

cual puede llevar a tener deformaciones inmedia-

tas y a largo plazo de estos sistemas.

El etano es un gas compuesto, el cual, es un sub-

producto de la destilación del petróleo, o puede

Para que los sistemas tubo - suelo sean estables

obtenerse a partir del gas natural. El etano a su

se debe estudiar la capacidad del tubo para so-

vez es fraccionado (calentado hasta 800 ^oC y divi-

portar las cargas a las cuales es sometido (rigidez

dido en “etileno” e “hidrógeno”). El etileno es un

anular), el comportamiento del suelo cuando es

gas compuesto de 2 átomos de carbono y 4 áto-

compactado en los alrededores del tubo (reacción

mos de hidrógeno.

del suelo). De esta manera luego de un correc-

to diseño e instalación, los sistemas para flujo a

Los 2 átomos de carbono, en la molécula de etile-

gravedad enterrados podrán soportar las cargas

no están unidos entre sí por un eslabón muy fuer-

vivas generadas por el tráfico vehicular y peato-

te. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, este es-

nal, y las cargas muertas generadas por el peso

labón se rompe, lo que permite que una molécula

del relleno final y las estructuras colocadas sobre

de etileno se una a otras para formar una cadena

estos sistemas.

en la que todos los átomos de hidrógeno están li-

gados y cada uno tiene 2 átomos de hidrógeno.

El concepto de la rigidez anular se refiere a la car-

Una cadena de moléculas de etileno se llama po-

ga vertical que es capaz de soportar un tubo libre

lietileno [5].

(sin agua en circulación y sin suelo de relleno al-

rededor) sin perder la capacidad de recuperar su

El PEAD se caracteriza por su firmeza, bajo costo,

forma original, sin que su capacidad hidráulica se

fácil de moldear mediante procesos de extrusión

vea comprometida y sin que la hermeticidad de

y de inyección, y resistente a quebraduras. Se uti-

las juntas se pierda. Las normas NTE INEN 2360

liza en un 50% para producir botellas de plástico

y NTE INEN 2059 definen el valor máximo de

en el mercado. Puede ser utilizado en productos

deflexión como el 3% del diámetro nominal in-

como leche, agua y jugos de fruta; así como tam-

terno del tubo (DNI). En conclusión, la RIGIDEZ

bién para contener detergentes, blanqueadores,

ANULAR de un tubo, se define como la carga ex-

aceites automotrices, entre otros.

presada en kN/m² que debe ser aplicada a un tubo

El PEAD es uno de los plásticos más fáciles de

plástico para deformarse el 3% del DNI [6].

reciclar, y se lo encuentra muy fácilmente dentro

A partir del valor de la rigidez anular, se clasifica

de los RSR; por tal motivo, se propone a este ma-

a los tubos en series como se indica en la tabla 1:

terial como base de estudio de este proyecto.

Tabla 1. Series de tubos de Polietileno de alta densidad

III.Tuberías de plástico

SERIE DEL TUBO

Las tuberías de plástico constituyen conductos

que deben ser diseñados para flujo a superficie

RIGIDEZ ANULAR MÍNIMA (kN/m2) método de ensayo ISO

libre, pueden ser utilizados para alcantarillas sa-

9969

nitarias, pluviales o combinadas; estos pueden

0.25

0.50

3.94

7.88

15.63

además ser utilizados para conducir caudales

RIGIDEZ ANULAR MÍNIMA (kN/m2) método de ensayo DIN

16961

destinados a sistemas de riego y drenaje agríco-

las, así como también drenaje vial. Siendo que

31.5

125

los caudales de estos sistemas de conducción son

Fuente: NTE INEN 2360

muy variables, entonces los diámetros de los tu-

bos para flujo a gravedad también deben tener

Materiales y Metodología

diámetros muy variados.

A. Pelletización de PEAD reciclado

El principal problema de diseñar sistemas tubo

Este proceso consiste en transformar el PEAD

plástico - suelo y de instalarlos es el comporta-

desechado en materia prima apta para la fabri-

miento elástico que presentan estos sistemas, lo

cación de cualquier artículo, en este caso tubos.

Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática

Para mejorar la resistencia del material a la expo-

nar en cuál de ellas se obtiene el mejor comporta-

miento del producto terminado.

sición al sol se añade carbón black en una propor-

ción en masa del 4%. En la figura 3 se muestra el

Tabla 2. Composición de la materia prima para la elaboración de

muestras.

proceso secuencial.

COMPOSICIÓN DEL MATERIAL

PEAD VIRGEN

PEAD RECICLADO

100

La variable que define inicialmente los pellets es la

densidad de la mezcla que se determina aplican-

do el principio de Arquímedes. Para cada compo-

sición de la materia prima se preparan muestras

de 200, 600 y 1000 (mm) de diámetro para tener

representatividad en las muestras, obteniendo

un un total de 15 muestras. El proceso de fabri-

cación de los tubos inicia por la verificación de

insumos, calibración y alimentación de tolva. A

continuación, se realiza la extrusión, enfriamien-

to de perfil, control de espesores, ensamblado del

tubo, registro de desperdicios y enfriamiento del

tubo. Finalmente se realiza el corte del tubo y ex-

tracción de testigos para el control de calidad de

las tuberías.

Figura 3. Proceso de Pelletización.

Figura 4. Material reciclado, Trituración del PEAD, y Centrifugado

B. Elaboración de muestras

El muestreo se realizó sobre mezclas de pellets, en

Figura 5. Fabricación de tuberías. (a)extrusión muestra de 600mm,

diferentes proporciones de material reciclado con

(b)enfriamiento y control del espesor, (c)enfriamiento muestra de

1000mm, (d)ensamblado del tubo.

respecto a material virgen, con el fin de determi-

Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)

C. Pruebas de calidad en tuberías

nal; en esta prueba se verifica que no haya fallas

en la tubería que podrían alterar su funciona-

Las pruebas de control de calidad realizadas se

miento mecánico; estas fallas pueden ser:

detallan a continuación:

Fisura en el perfil.

1) Contaminación biológica

Fisura en la pared interna.

Delaminación.

Se realiza el control del agua contenida por un

Fluencia del material.

lapso de 24 horas verificando que no existe mi-

Rotura del tubo.

gración de contaminantes bacteriológicos des-

de la muestra hacia el agua que está contenida

5. Resistencia al impacto

en ellas.

Se realiza según la NTE INEN 2360. Se verifica

que la muestra luego de ser sometida a un impac-

2) Contaminación física y química

to con una energía especificada de acuerdo con el

Se realiza el control del agua contenida por un

diámetro nominal interno no presente un daño

lapso de 24 horas verificando que no existe mi-

definitivo en su estructura, tal como en el aplasta-

gración de agentes químicos.

miento entre placas.

6) Agrietamiento por estrés ambiental

Los dos anteriores se comparan con los paráme-

Se realiza según la norma ASTM D 3350. Con-

tros establecidos en el Libro VI del Texto Unifi-

siste en mantener 10 muestras del material del

cado de Legislación Ambiental Secundaria. (TU-

tubo sumergidas en una sustancia agresiva a una

LAS) obteniendo como resultado que el agua

temperatura de 100^oC durante 200 horas sin que

analizada es apta para el consumo humano.

se evidencien daños en las muestras. Se conside-

ra que la prueba ha sido superada si el 80% de

3) Rigidez Anular

las muestras se presentan inalteradas luego de la

prueba.

Se realiza según la NTE INEN 2360, con una

deformación radial igual al 3% del diámetro no-

Las pruebas de contaminación biológica y con-

minal.

taminación química se realizan solamente sobre

muestras de PEAD virgen y de PEAD reciclado.

Se calcula la rigidez anular con la siguiente

ecuación:

Donde:

F: fuerza correspondiente al 3.0% de deflexión

del tubo (kN)

l: longitud de la muestra de prueba (mm)

y: deflexión correspondiente al 3.0% (mm)

d: diámetro nominal interno (mm)

De tal manera que

(2)

4) Aplastamiento entre placas

Se realiza según la NTE INEN 2360. Se ejerce una

Figura

6. Pruebas en tuberías.

(a)Testigos almacenados,

(b)Es-

carga directa a la muestra del tubo hasta que éste

tancamiento de agua, (c)Rigidez anular 600mm, (d)Aplastamiento en-

se deforme o aplaste el 40% del diámetro nomi-

tre placas 1000mm

Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática

Tabla 4. Rigidez anular tuberías de diferentes diámetros

Resultados

Espesores (mm)

Las pruebas de calidad de las tuberías de PEAD

%PEAD

Rigidez

DIAM.

VIRGEN

RECICL

Anular

reciclado se realizan según la Norma Técnica

INEN 2360, obteniéndose los siguientes resulta-

200 mm

100

3.49

4.85

7.31

dos:

200 mm

3.47

4.77

6.38

200 mm

3.56

4.57

7.32

A. Densidad del material

200 mm

3.39

4.60

6.43

En la tabla 3 se muestran los resultados de los

200 mm

100

3.29

4.63

8.17

ensayos de densidad. Se evidencia que la densi-

600 mm

100

4.82

8.52

2.22

dad del material de los pellets es inversamente

proporcional al porcentaje de material recicla-

600 mm

4.73

8.69

2.29

do, teniendo como menor densidad 0.852g/cm³

600 mm

4.65

8.66

2.16

para una muestra preparada completamente con

600 mm

4.70

8.59

2.13

PEAD reciclado.

600 mm

100

4.88

9.01

2.95

Tabla 3. Densidad de muestras de PEAD

1000 mm

100

7.32

10.13

1.19

%PEAD

Densidad (g/cm³)

1000 mm

7.05

9.90

1.17

VIRGEN

RECICL

Promedio

1000 mm

7.67

10.13

1.25

100

0.940

0.944

0.942

1000 mm

8.10

10.38

1.36

0.953

0.927

0.936

1000 mm

100

7.17

10.10

1.14

0.906

0.905

0.906

0.883

0.887

0.886

100

0.865

0.843

0.852

La figura 7 muestra la disminución de la densi-

dad al aumentar la cantidad de material reciclado.

Figura 8. Variación de e1, e3 y rigidez anular tubería 200mm

Figura 7. Variación de la densidad de los pellets de PEAD

B. Rigidez anular

Del ensayo de todas las muestras se obtienen los

siguientes resultados para cada diámetro:

Figura 9. Variación de e1, e3 y rigidez anular tubería 600mm

Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)

Tabla 5. Determinación de variables físico-químicas

Cloru-

Conduc-

Alcali-

ros

tividad

nidad

LÍNEA

soluble

ppm

µ-cm

ppm

Línea de

trans-

100 -

20,000 -

1000 -

200 -

5.5-

0-0.5

porte -

130

50,000

1500

250

6.5

descarga

Agua de

400

0 -

50,000 -

1800 -

200 -

5.5-

reinyec-

-500

0.5

70,000

2500

250

6.5

ción

Figura 10. Variación de e1, e3 y rigidez anular tubería 1000mm

Conclusiones

Al analizar los gráficos anteriores, se puede ver

que la rigidez anular de las muestras ensayadas

La fabricación de tubos con PEAD reciclado es

no presenta una variación muy grande en la rigi-

factible desde el punto de vista de desempeño

dez anular; puede verse que incluso en los diáme-

mecánico del producto terminado, ya que su-

tros de 200 y 600 mm la rigidez anular es mayor

pera muy bien las pruebas especificadas por las

normas vigentes para estos tubos. Sin embargo,

para las muestras fabricadas con el 100% de ma-

se debe realizar una investigación específica para

terial reciclado, obedeciendo esto a un proceso de

determinar hasta cuántas veces se puede reproce-

cristalización del material al ser reciclado.

sar o reciclar el PEAD sin que la cristalización del

material afecte al comportamiento de los tubos.

C. Aplastamiento entre placas

Desde el punto de vista ambiental, el utilizar este

Las muestras ensayadas no presentan fallas en su

tipo de materiales en la fabricación de tubos plás-

estructura, lo que evidencia que todas las mues-

ticos es prácticamente demandante, ya que se re-

tras sometidas a este ensayo tienen un desempe-

tirarían grandes cantidades de material plástico

ño estructural bueno.

de los rellenos sanitarios.

D. Resistencia al impacto

Desde el punto de vista económico se evita la

importación de materia prima, evitando pagar

Ninguna muestra sometida a esta prueba presen-

aranceles de nacionalización, teniendo una pro-

ta una de las fallas especificadas. Por lo tanto, se

ducción de tuberías con un componente de pro-

considera que tanto las muestras fabricadas con

ducción nacional al 100%.

material virgen como aquellas que fueron fabri-

Desde el punto de vista social se genera fuentes

cadas con material reciclado superan esta prueba.

de trabajo para cumplir con todas las fases de los

procesos inherentes a estas actividades, las mis-

E. Agrietamiento por estrés ambiental.

mas que pueden alcanzar niveles de organización

Dos muestras correspondientes a una compo-

y tecnificación muy elevados.

sición del 75% de material reciclado y 25% de

material virgen se agrietaron en esta prueba. Se

considera que incluso esta prueba es superada, ya

Referencias

que de esta composición fallaron 2 de 10 mues-

[1] EPMAPS, Departamento de Fiscalización,

tras ensayadas, es decir el 20%, lo cual está dentro

Información de obras de Alcantarillado eje-

de lo admisible por la norma.

cutadas en el DMQ, 2018.