Influence of Recycled Waste Pet Fiber Geometry on the Destructive, Non-destructive, and Post-failure Characteristics of Structural Concrete

El concreto es el material más ubicuo en el mundo construido, formando el esqueleto de nuestras ciudades y los cimientos de nuestros hogares. Es un compuesto de piedra triturada y arena mantenidas unidas por una pasta de cemento y agua. Aunque esta mezcla sobresale al resistir fuerzas de compresión pesadas, tiene una debilidad notoria: es frágil. Como una rama seca, el concreto simple resiste bien la compresión pero se hace añicos repentinamente cuando se estira o se dobla, ofreciendo poca advertencia antes de fallar. Para solucionar esto, los ingenieros han recurrido durante mucho tiempo al concreto reforzado con fibras, una variación que incorpora diminutas y discretas hebras a través de la mezcla. Estas fibras actúan como redes de seguridad internas, tendiendo puentes sobre las grietas a medida que se forman y manteniendo el material unido incluso después de haber comenzado a romperse, transformando un quiebre frágil en una falla más gradual y manejable.

Durante décadas, la búsqueda de estas hebras de refuerzo se ha centrado en el acero o en polímeros sintéticos, pero una creciente base de investigación plantea una pregunta diferente: ¿podemos convertir los desechos plásticos del mundo en un activo estructural? El tereftalato de polietileno, o PET, es el plástico transparente utilizado para innumerables botellas de bebidas. Si bien existen programas de reciclaje, gran parte de este material aún termina en los vertederos. El desafío radica en la forma del plástico; las tiras de plástico estándar cortadas de las botellas son lisas y rectas. En el entorno rugoso y rocoso del concreto, estas fibras suaves tienden a deslizarse hacia afuera en lugar de agarrarse, fallando al no proporcionar el refuerzo necesario. Este estudio, realizado por investigadores de la Universidad Lovely Professional en la India y la Universidad de Ciencia y Tecnología Hajee Mohammad Danesh en Bangladesh, explora si remodelar estas fibras de desecho en una forma corrugada y en zigzag puede resolver el problema del agarre, y cómo esta modificación afecta la resistencia y las pruebas del concreto final.

Los investigadores comenzaron recolectando botellas usadas de refresco y agua, quitando los cuellos y las bases, y cortando los cuerpos cilíndricos en tiras uniformes. Crearon dos tipos distintos de fibras a partir de estos desechos: un conjunto permaneció recto y liso, mientras que el otro pasó por un dispositivo mecánico para presionar un patrón de zigzag continuo en el plástico. Ambos conjuntos fueron cortados a una longitud de 40 milímetros. Estas fibras fueron luego mezcladas en un concreto estándar de grado M20, una mezcla estructural común, a una tasa en la que las fibras reemplazaron el uno por ciento del volumen del agregado de piedra gruesa. El equipo moldeó docenas de muestras cilíndricas y las curó durante 28 días en un ambiente al aire libre, exponiéndolas a la luz solar natural, la lluvia y las fluctuaciones de temperatura para imitar las condiciones reales de construcción en lugar del clima controlado de un laboratorio.

Cuando el concreto fresco fue probado para su trabajabilidad, la adición de las fibras plásticas mostró inmediatamente un costo físico. Las fibras rectas y lisas redujeron el flujo de la mezcla aproximadamente un diez por ciento, pero las fibras en zigzag causaron una caída mucho más pronunciada, reduciendo el flujo en casi un treinta y tres por ciento. La forma corrugada de las fibras en zigzag creó un enredo físico, haciendo que las hebras de plástico se engancharan entre sí y con la arena y la piedra circundantes, haciendo que la mezcla fuera más rígida y difícil de verter. A pesar de esta pérdida en la facilidad de manejo, el concreto endurecido resultó sorprendentemente resistente. Cuando se aplastó en una máquina de pruebas, la muestra de control de concreto simple alcanzó una resistencia de 20.20 megapascales. La mezcla con fibras rectas se mantuvo en 18.90 megapascales, una disminución menor, mientras que la mezcla en zigzag logró 17.65 megapascales. Aunque la resistencia disminuyó ligeramente, los investigadores confirmaron que el uso de esta pequeña cantidad de plástico reciclado no comprometió la capacidad de carga estructural del concreto.

Un descubrimiento más sorprendente surgió cuando el equipo probó el concreto utilizando un método no destructivo conocido como martillo de rebote Schmidt. Este dispositivo funciona disparando una pequeña masa accionada por resorte contra la superficie del concreto y midiendo cuánto rebota; un rebote mayor usualmente indica una superficie más dura y fuerte. En el concreto estándar, este método proporciona una estimación razonablemente precisa de la resistencia. Sin embargo, en las muestras reforzadas con fibras, el martillo subestimó consistentemente la verdadera resistencia. Las fibras plásticas lisas cerca de la superficie actuaron como un amortiguador, atenuando el impacto del martillo y causando que el rebote fuera menor de lo que debería ser. Para la mezcla en zigzag, el martillo sugirió que el concreto era solo aproximadamente la mitad de fuerte de lo que realmente era. Para corregir esto, los investigadores desarrollaron factores de ajuste específicos, creando esencialmente un nuevo libro de reglas para interpretar las lecturas del martillo cuando hay fibras plásticas presentes, asegurando que los inspectores no rechacen erróneamente una estructura sólida.

La diferencia más dramática apareció cuando los cilindros finalmente fueron aplastados hasta la falla. El concreto simple se hizo añicos instantáneamente, rompiéndose en un montón de fragmentos con una fractura de cizallamiento súbita y violenta. La mezcla con fibras rectas mostró una ligera mejora, agrietándose a lo largo de la longitud del cilindro, pero las fibras lisas eventualmente se deslizaron fuera de la pasta de cemento, dejando que la capa exterior se desmoronara. Sin embargo, la mezcla de fibras en zigzag se comportó de manera diferente. A medida que el cilindro se agrietaba, las hebras de plástico corrugadas se trababan firmemente en el cemento circundante, de forma muy similar a las crestas de una varilla de acero. Este interbloqueo mecánico evitó que las fibras se deslizaran, permitiendo que el concreto se mantuviera unido incluso después de superada la carga máxima. El espécimen no se desintegró; en cambio, mantuvo su forma cilíndrica mientras desarrollaba una red de finas grietas, demostrando un modo de falla dúctil, o flexible, que ofrece mucha más seguridad en un colapso del mundo real.

El estudio concluye que, si bien convertir los desechos de botellas de plástico en refuerzo de concreto requiere un manejo cuidadoso para gestionar la rigidez de la mezcla, los resultados son prometedores. La geometría en zigzag es la clave, transformando una tira de plástico resbaladiza en un anclaje robusto que mejora significativamente la capacidad del concreto para resistir el agrietamiento y mantenerse unido después de sufrir daños. Al establecer nuevos métodos de calibración para las pruebas no destructivas, los investigadores también han proporcionado una herramienta práctica para que los ingenieros evalúen con precisión estos nuevos materiales en el campo. El trabajo sugiere que, con la forma adecuada, las botellas de plástico desechadas pueden ser más que simples desechos; pueden convertirse en un componente vital para hacer que nuestra infraestructura sea más resistente y robusta.