Trabajo ganador en el área Gestión y economía minera de Conamin 2024.

Por: Elvis Arias Quispe, docente, investigador y consultor.  

Resumen

Este estudio examina la viabilidad de utilizar tereftalato de polietileno (PET) reciclado como refuerzo en concreto proyectado (shotcrete) para sostenimiento en operaciones mineras, promoviendo la economía circular. La investigación evalúa las propiedades mecánicas, el impacto ambiental y la viabilidad económica de esta innovación. Los resultados muestran mejoras significativas en las propiedades mecánicas del shotcrete con PET reciclado, incluyendo un aumento del 3% en la resistencia a la tracción al reemplazar en un metro cúbico de shotcrete 6 Kg de PET reciclado en lugar de 4 Kg de fibra sintética. 

La absorción de energía alcanzó niveles comparables a la fibra sintética tradicional. En términos de viabilidad técnica y económica, se demostró que el shotcrete reforzado con PET reciclado es técnicamente viable y, a largo plazo, rentable con un ahorro del 72% en costos de fibra de refuerzo. Aunque puede haber costos iniciales en la compra de la máquina trituradora de PET y la extrusora, los beneficios en términos de menor mantenimiento, mayor durabilidad y reducción de costos ambientales compensan estos gastos adicionales, haciendo que la inversión sea justificable y atractiva para las empresas mineras que emplean concreto proyectado dentro de sus operaciones.

Ambientalmente, el uso de PET reciclado reduce significativamente los residuos plásticos y la huella de carbono, ahorrando aproximadamente 47.45 toneladas de CO₂ equivalente por año. Económicamente, se proyecta un ahorro de US$ 11.95 por metro cúbico de shotcrete, con un periodo de recuperación de la inversión de 3 a 6 meses. Esta innovación no solo mejora el rendimiento técnico del shotcrete, sino que también contribuye significativamente a la reducción de residuos plásticos y emisiones de carbono, alineándose con los principios de economía circular y desarrollo sostenible en la industria minera.

En conclusión, la investigación sobre el uso de PET reciclado como refuerzo en el shotcrete para la industria minera ha generado resultados prometedores y significativos en términos de mejora de propiedades, impacto ambiental positivo, viabilidad técnica y económica, contribuciones a la sostenibilidad y perspectivas de futuro. 

Si bien existen limitaciones y áreas de mejora, el estudio sienta las bases para una mayor innovación y adopción de prácticas más sostenibles en el sector minero, con el potencial de generar beneficios a largo plazo para las empresas, la sociedad y el medio ambiente. El estudio recomienda la implementación a gran escala de esta tecnología en la industria minera, destacando su potencial para mejorar la sostenibilidad y eficiencia. Se sugiere continuar la investigación para optimizar aún más las propiedades del PET reciclado y realizar análisis económicos a largo plazo.

Introducción

Antecedentes

El Perú se destaca como uno de los mayores productores globales de cobre, oro, plata, zinc, plomo y estaño. No obstante, la extracción y el procesamiento de estos minerales resultan en la generación de considerables cantidades de desechos sólidos y líquidos. En 2022, la industria minera peruana produjo cerca de 730 millones de toneladas de residuos sólidos, de acuerdo con el Organismo de Evaluación y Fiscalización Ambiental (OEFA). El consumo de agua en el sector minero llegó a 208 millones de metros cúbicos en 2020, lo que equivale aproximadamente al 1.3% del total de la extracción de agua a nivel nacional. Las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) de la minería en Perú ascendieron a 3.2 millones de toneladas de CO₂ equivalente en 2019, según el Ministerio del Ambiente.

El PET es un polímero ampliamente utilizado en la fabricación de envases de plástico, especialmente botellas para bebidas. La demanda de PET ha aumentado drásticamente en las últimas décadas debido a su versatilidad y conveniencia. En las operaciones mineras de altas temperaturas se consumen bebidas hidratantes para los colaboradores, así como agua en embases de 650 ml. Sin embargo, su amplio uso también ha generado un problema importante de gestión de residuos, ya que el PET es un material que puede tardar hasta 800 años en degradarse en el medio ambiente.

En las últimas décadas, el concepto de economía circular ha cobrado una relevancia significativa en el ámbito global. Este enfoque busca replantear el modelo económico tradicional lineal, que se basa en la extracción de recursos naturales, la fabricación de productos, su uso y posterior descarte, por un modelo más sostenible que fomenta la reutilización, la reparación, el reciclaje y la regeneración de los recursos y materiales.

En este contexto, la reutilización y el reciclaje del PET se han convertido en objetivos cruciales para abordar los desafíos ambientales asociados con este material. El reciclaje del PET puede transformarse en una oportunidad para cerrar el ciclo de vida de este material, convirtiéndolo en una fuente renovable de materias primas para nuevas aplicaciones en la industria.

Por otro lado, el sector minero desempeña un papel vital en la economía del país al proporcionar los metales y minerales necesarios para una amplia gama de productos y sectores industriales. Sin embargo, la minería también enfrenta desafíos significativos en términos de sostenibilidad ambiental y gestión de residuos. La extracción y procesamiento de minerales a menudo generan grandes cantidades de residuos, incluyendo desechos sólidos, líquidos y emisiones, que requieren soluciones efectivas para minimizar su impacto negativo en el medio ambiente.

Dentro del contexto minero, el shotcrete juega un papel crucial en la estabilidad de las excavaciones subterráneas. Es un material compuesto por cemento, agregados, agua, fibra y aditivos, se proyecta sobre las superficies para formar revestimientos que mejoran la resistencia y estabilidad de las estructuras subterráneas. Sin embargo, el shotcrete tradicional puede presentar limitaciones en términos de resistencia a largo plazo, durabilidad y capacidad de absorber deformaciones, lo que puede afectar la seguridad y la eficiencia de las operaciones mineras. 

En 2022, se estima que la minería en Perú produjo alrededor de 500,000 metros cúbicos de concreto proyectado (shotcrete) en sus diversas operaciones. Este volumen representa un incremento del 8% en comparación con el consumo registrado en 2021. Las minas subterráneas son las mayores consumidoras de shotcrete, utilizando aproximadamente el 70% del total. Se anticipa que la demanda de shotcrete continúe en aumento debido a la mayor profundización de las minas y la necesidad de sostenimiento dinámico, que oscila entre 50 y 65 kJ/m².

Ahora bien, el consumo de bebidas hidratantes para mineros en ambientes de alta temperatura se justifica técnica y fisiológicamente debido a su capacidad para regular la temperatura corporal, reponer líquidos y electrolitos perdidos por el sudor, mantener la función fisiológica, prevenir enfermedades relacionadas con el calor y optimizar el rendimiento laboral y la seguridad en el trabajo. Estas bebidas juegan un papel crucial en evitar la deshidratación, los golpes de calor y otros problemas asociados con la falta de hidratación adecuada, mejorando así la salud y el bienestar de los trabajadores en entornos laborales exigentes.

Problema a resolver

El problema principal que este trabajo de investigación busca abordar es la mejora de las propiedades del shotcrete aplicado en minería, particularmente en términos de resistencia, durabilidad y sostenibilidad, con elementos que se puedan reciclar como parte del proceso operativo minero. El shotcrete tradicional a menudo muestra deficiencias en su comportamiento mecánico bajo condiciones extremas, como altas presiones, ambientes agresivos y filtraciones de agua, lo que puede aumentar los costos de desate y resane para las operaciones en empresas mineras.

Asimismo, la industria minera enfrenta presiones crecientes para adoptar prácticas más sostenibles y reducir su huella ambiental. La gestión responsable de los residuos, la reducción de emisiones y la optimización de recursos se han convertido en prioridades clave para las empresas mineras en todo el mundo. En este contexto, la incorporación de materiales reciclados y soluciones innovadoras en los procesos y productos mineros puede contribuir significativamente a la sostenibilidad global de la industria.

El uso de PET reciclado y triturado como refuerzo con polímeros en el shotcrete surge como una propuesta atractiva y prometedora para abordar estos desafíos. El PET tiene propiedades mecánicas robustas y una alta resistencia a la corrosión, lo que lo convierte en un candidato ideal para mejorar las propiedades del shotcrete aplicado en minería. 

Objetivos y alcances

El objetivo principal es investigar las propiedades mecánicas y ambientales del shotcrete reforzado con polímeros de PET reciclado y triturado en reemplazo de la fibra sintética: se explicará el procedimiento de recolección de botellas de PET consumidas y su introducción en la operación de shotcrete reforzado con este PET reciclado. Se llevarán a cabo pruebas de laboratorio para evaluar la resistencia a la compresión, flexión, tracción, abrasión y corrosión del shotcrete con refuerzos de PET reciclado. 

Los objetivos secundarios de este trabajo de investigación son los siguientes:

1. Evaluar la viabilidad técnica y económica de utilizar PET reciclado como refuerzo en el shotcrete para aplicaciones mineras: se realizará un análisis exhaustivo de los costos asociados con la producción y aplicación del shotcrete reforzado con PET reciclado en comparación con el tradicional. Se considerarán aspectos como la disponibilidad de materia prima, los procesos de fabricación, la logística y los beneficios a largo plazo en términos de rendimiento y durabilidad.

2. Despertar el interés de los operadores a emplear economía circular en la industria minera. Promover prácticas sostenibles y de reciclaje dentro de las operaciones.

3. Proporcionar recomendaciones y sugerencias para futuras investigaciones y aplicaciones prácticas de esta tecnología: se resumirán las conclusiones clave del estudio y se ofrecerán recomendaciones específicas para empresas mineras, investigadores y tomadores de decisiones en el sector. Se identificarán áreas de investigación adicionales y posibles mejoras en la implementación y adopción de tecnologías sostenibles en la industria minera.

El alcance de este estudio se centrará en la evaluación teórica y práctica del uso de PET reciclado como refuerzo en el shotcrete en el contexto específico de la industria minera. Se llevarán a cabo pruebas de laboratorio para analizar las propiedades mecánicas y ambientales, así como estudios de viabilidad económica. Sin embargo, no se abordarán aspectos relacionados con la implementación a gran escala ni con aspectos regulatorios específicos.

Este trabajo busca contribuir al avance del conocimiento en el campo de la ingeniería y la sostenibilidad en la industria minera, ofreciendo una perspectiva innovadora y práctica para mejorar la eficiencia y reducir el impacto ambiental de las operaciones mineras.

Descripción de la investigación

Marco teórico

El marco teórico de este trabajo de investigación se fundamenta en dos pilares principales: la composición y propiedades del shotcrete en la industria minera, y los conceptos clave relacionados con la economía circular y el uso de PET reciclado como material polimérico en aplicaciones de concreto proyectado.

Composición y propiedades del shotcrete en minería

El shotcrete, también conocido como concreto proyectado, es un material ampliamente utilizado en la industria minera para el revestimiento de rampas, galerías, túneles, otras infraestructuras subterráneas, en taludes en operaciones a tajo abierto, caminos y carreteras para asegurar las condiciones de accesibilidad. Su composición básica incluye cemento, agregados, fibra, agua y aditivos, que se mezclan y se proyectan a alta velocidad sobre las superficies a sostener en las operaciones.

Las propiedades del shotcrete son críticas para su desempeño en aplicaciones mineras. Entre las propiedades más importantes se encuentran la resistencia a la compresión, a la tracción, la adherencia, la permeabilidad y la durabilidad. Estas propiedades varían según la formulación específica del shotcrete y las condiciones de aplicación, para el caso de estudio, las composiciones de los insumos se dan como indica la Tabla 1.

Especificando el empleo de fibras, dado que para la presente investigación es el elemento al cual reemplaza el PET reciclado y triturado, se aclara que son filamentos alargados y esbeltos en forma de manojo, malla o hebra de material natural o manufacturado. El empleo de fibras genera una mejora en resistencia a la tracción, evita que se generen grietas y fisuras por contracción plástica, disminuye el rebote y perfecciona la dureza y resistencia al impacto. Las fibras dependen mucho de la dosificación y de los parámetros de composición (resistencia a la tensión, longitud, diámetro y anclaje). Según la ACI PRC-506-22: Shotcrete Guide (2022) se tiene tres tipos de fibras: acero, vidrio y sintéticas, su implementación por tipo de fibra para emplearse y la dosificación lo define el departamento de Geomecánica de cada unidad minera. 

Así como indican Toledo et al. (2011) el proceso del shotcrete es ágil y sencillo, demanda menos recursos en términos de equipo, personal, herramientas y materiales por metro cúbico lanzado, su eficiencia se debe a su acción de soporte que es instantánea gracias a la propiedad de adherencia que posee sobre la superficie de la roca a sostener.

Para la adecuada trabajabilidad del concreto proyectado en operaciones mineras, se emplean ensayos de control de calidad mínimos requeridos que se encuentran indicados en la Tabla 2.

Para Gilbert & Bernard (2019), las fibras aumentan la tenacidad del shotcrete, lo que significa que los elementos estructurales pueden soportar cargas incluso después de que el concreto se fisura o agrieta. El uso de shotcrete con fibra garantiza una distribución más uniforme del refuerzo, ya que las fibras se dispersan de manera tridimensional y siguen el perfil irregular de la roca. 

En la misma línea, Saucedo et al. (2021) indicaron que el empleo de diversas fibras de refuerzo (acero o poliméricas) se utilizan para mejorar la resistencia a la tracción y a la flexión, así como la ductilidad de materiales como el concreto y otros basados en cemento como el shotcrete. Este enfoque está levemente difundido en el campo de la construcción, sin embargo, en el sector minero es la primera información expuesta como investigación. Una manera de abordar la contaminación plástica es reciclar elementos de PET para usarlos como fibra de refuerzo en el concreto proyectado en mina.

Para medir la eficiencia de la participación de la fibra se analiza la resistencia a la flexo-tracción que permite al shotcrete soportar las deformaciones originadas por la flexión de un elemento adyacente que, en 28 días, debe alcanzar valores superiores a 210 Kg/cm².   

Economía circular y reutilización de PET 

Según el Ministerio del Ambiente y la Sociedad Nacional de Industrias, en Perú se consumen aproximadamente un millón de botellas de PET de bebidas al día. Cada botella de PET pesa típicamente entre 10 y 25 gramos. En 2021, se generaron alrededor de 180,000 toneladas de residuos de PET provenientes de envases de bebidas, lo que equivale a cerca del 60% del total de residuos plásticos en el país. Sin embargo, solo entre el 5% y el 10% de estos residuos son reciclados. Se calcula que cada peruano consume en promedio 28 botellas de PET al año. A nivel mundial, la producción de PET para envases de bebidas alcanzó los 19 millones de toneladas en 2020. Se espera que la demanda mundial de PET para envases crezca a una tasa anual del 4.5% hasta 2027. Cada año, se generan aproximadamente 8 millones de toneladas de residuos de envases de PET en todo el mundo, de los cuales solo alrededor del 30% son reciclados actualmente.

La economía circular es un concepto que busca minimizar el desperdicio de recursos y materiales, fomentando la reutilización, el reciclaje y la regeneración de productos y materiales. Dentro de este marco, la reutilización del PET reciclado ha ganado atención como una forma efectiva de cerrar el ciclo de vida de este material y reducir su impacto ambiental.

Si explicamos, cómo se emplea en las operaciones mineras, específicamente para el propósito de esta investigación, se dan por las bebidas hidratantes y agua embotellada que se entregan, dentro de su jornada laboral, a los colaboradores en general, cuyo consumo se da entre 6 a 8 botellas por turno, sin considerar las bebidas que se utilizan en bidones de 20 litros y se consumen en vasos desde los puntos de distribución.  

La necesidad de emplear bebidas hidratantes para los mineros que trabajan en operaciones con ambientes de alta temperatura (superior a 29° C) se sustenta en varios aspectos técnicos y fisiológicos claves:

ν Regulación de la temperatura corporal: los mineros que trabajan en ambientes de alta temperatura están expuestos a un mayor riesgo de sufrir golpes de calor y deshidratación. Las bebidas hidratantes ayudan a regular la temperatura corporal al proporcionar líquidos frescos y electrolitos que contribuyen a mantener el equilibrio hídrico y la homeostasis térmica del cuerpo.

ν Reposición de fluidos y electrolitos: el trabajo en ambientes calurosos y la actividad física intensa pueden provocar una pérdida significativa de líquidos y electrolitos a través del sudor. Las bebidas hidratantes están diseñadas para reponer estos elementos de manera efectiva, lo que ayuda a prevenir la deshidratación, los calambres musculares y otros problemas relacionados con la falta de hidratación adecuada.

ν Mantenimiento de la función fisiológica: la deshidratación puede afectar negativamente la función fisiológica y el rendimiento laboral. El consumo regular de bebidas hidratantes ayuda a mantener condiciones óptimas, lo que se traduce en una mejor capacidad de concentración, mayor resistencia física y menor fatiga durante las jornadas de trabajo en ambientes calurosos.

ν Prevención de enfermedades relacionadas con el calor: la exposición prolongada a altas temperaturas sin una adecuada hidratación puede aumentar el riesgo de padecer enfermedades relacionadas con el calor, como golpes de calor, agotamiento y otros trastornos térmicos. Las bebidas hidratantes juegan un papel crucial en la prevención de estas condiciones al mantener un nivel adecuado de hidratación y equilibrio electrolítico.

ν Optimización del rendimiento laboral: mantener a los trabajadores mineros debidamente hidratados con bebidas adecuadas contribuye a optimizar su rendimiento laboral y la seguridad en el trabajo. La hidratación adecuada es fundamental para mantener la atención, la coordinación motora y la capacidad de respuesta, factores críticos en entornos mineros donde la concentración y la precisión son esenciales para evitar accidentes.

Tal como mencionan Castro et al. (2014), las variaciones de temperatura afectan la fisiología humana. Nuestro cuerpo genera calor como parte del metabolismo, manteniendo una temperatura interna de alrededor de 36.9 grados Celsius. Exponernos a temperaturas extremas puede causar sensaciones de frío o calor debido a los efectos fisiológicos. Por ejemplo, trabajar en ambientes calurosos reduce el rendimiento y requiere una buena hidratación, que para la mayoría de minas se administra en envases de tereftalato de polietileno o PET.

Evidencias:

ν Decreto Supremo Nº 024-2016-EM – Anexo 13.

ν ACGIH - Conferencia Americana de Higienistas Industriales y Gubernamentales.

ν RM 375-2008-TR Norma Básica de Ergonomía y de Procedimiento de Evaluación de Riesgo Disergonómico.

Bajo ese sustento, los hidratantes y el agua se administran en botellas de PET, donde luego se organizan a través de procesos de reciclaje mecánico y luego pasa a trituración, a través de una máquina que transforma las botellas y envases de PET usados en nuevas materias primas para aplicaciones en el shotcrete en reemplazo de la fibra sintética. En las operaciones de sostenimiento, el PET reciclado se utilizará como refuerzo con polímeros en reemplazo de la fibra sintética en el shotcrete, mejorando así sus propiedades mecánicas y contribuyendo a la sostenibilidad del sector minero.

Método de solución

El método de solución de este trabajo de investigación se estructura en varios pasos claves, que se inician con el reciclaje y trituración del PET que se emplea en la hidratación de los colaboradores de toda la mina, incluyen la formulación y preparación de muestras de shotcrete reforzado con PET reciclado, pruebas de laboratorio para evaluar sus propiedades mecánicas y ambientales, análisis de resultados y conclusiones derivadas de los hallazgos. Un gran referente de este estudio es la investigación de Ávila et al. (2015), donde la resistencia a la flexotracción se incrementa al aumentar el tamaño de las partículas de PET, siendo un 40% mayor con partículas de 3 mm que con las de 0.5 mm.

Reciclaje y trituración de PET

Recolección: se inicia con la recolección de las botellas PET usadas. En este caso, si se utilizan 8 botellas por trabajador y se cuenta con un promedio de 250 colaboradores por turno, la cantidad total de botellas a recolectar por turno sería de 5 botellas/trabajador * 500 trabajadores = 2,500 botellas por día.

Separación y clasificación: una vez recolectadas, las botellas PET se separan de elementos extraños (vidrio, papel, cartón o aluminio). Este proceso ayuda a optimizar la eficiencia del reciclaje y el posterior procesamiento.

Limpieza: las botellas se lavan para eliminar residuos y contaminantes que puedan afectar la calidad del material reciclado.

Trituración y molienda: las botellas limpias se trituran y muelen en pequeños fragmentos y filones. Este paso es crucial para preparar el material para su posterior utilización. La máquina trituradora de PET es un equipo diseñado específicamente para procesar botellas u otros envases de plástico similares. Estas máquinas forman parte del proceso de reciclaje de plásticos y desempeñan un papel crucial en la transformación de los materiales reciclables en formas más manejables para su posterior empleo. Para el caso de estudio la capacidad es de 150 toneladas por hora.

 A continuación, se describen los componentes y el funcionamiento típico de la máquina trituradora de PET:

ν Tolva de alimentación: es la entrada donde se introducen las botellas de PET usadas para su trituración. La tolva suele tener un diseño que facilita la carga y alimentación continua de los envases a triturar.

ν Sistema de alimentación: una vez que las botellas entran en la máquina a través de la tolva, un sistema de alimentación las mueve hacia el siguiente paso del proceso.

ν Cuchillas o rodillos trituradores: estos componentes son los responsables de la trituración efectiva del PET. Pueden ser cuchillas afiladas que cortan el plástico en trozos pequeños o rodillos dentados que aplastan y desgarran el material. La configuración de las cuchillas o rodillos varía según el diseño y la capacidad de la máquina.

ν Cámara de trituración: es el espacio donde se lleva a cabo la acción de trituración. Las botellas de PET son sometidas a fuerzas mecánicas que las descomponen en fragmentos más pequeños. Algunas máquinas cuentan con sistemas de control para ajustar la velocidad y la presión de trituración según el tipo de plástico y las necesidades del proceso.

ν Tamiz o criba: después de la trituración, los fragmentos de PET pasan a través de un tamiz o criba que separa las partículas de plástico triturado de otros materiales no deseados, como etiquetas o tapas de metal. Este paso es importante para obtener un material homogéneo y limpio que sea adecuado para el siguiente proceso de reciclaje.

ν Sistema de recolección y descarga: una vez que el PET ha sido triturado y tamizado, se recoge y descarga el material en contenedores o transportadores para su almacenamiento temporal o su transporte a la siguiente etapa del proceso de reciclaje.

Las máquinas trituradoras de PET pueden variar en tamaño, capacidad y complejidad según las necesidades de reciclaje de la planta y la cantidad de material que se procese. Es importante que estas máquinas cumplan con estándares de seguridad y calidad para garantizar un proceso eficiente y seguro.

Fundición y extrusión: las escamas trituradas se funden y se extruyen para formar nuevos productos de PET, como láminas, fibras o viruta. Durante este proceso, se cuida que no existan impurezas que puedan contaminar el acopio.

Acopio de nuevos productos: el material triturado, se acopia en costales limpios para ser entregados en la planta de concreto, cerrando así el ciclo de reciclaje y reutilización.

Formulación y preparación de muestras de shotcrete reforzado

El primer paso del método de solución implica la formulación y preparación de muestras de shotcrete reforzado con PET reciclado. Para esto, se seleccionan las proporciones adecuadas de shotcrete lanzado, junto con el PET reciclado como refuerzo polimérico. Se realizan pruebas preliminares para determinar la cantidad óptima de PET reciclado a incorporar, considerando tanto las propiedades mecánicas como la trabajabilidad del material. Se emplearon cinco kilogramos de PET reciclado para un metro cúbico de shotcrete destinado a labor.

Una vez definida la formulación, se procede a la preparación de las muestras de shotcrete en condiciones controladas de laboratorio. Se utiliza equipo especializado para mezclar y proyectar el shotcrete sobre paneles o moldes que permitan la realización de pruebas estandarizadas.

Pruebas de laboratorio para evaluación de propiedades

El siguiente paso consiste en llevar a cabo pruebas de laboratorio para evaluar las propiedades mecánicas y ambientales del shotcrete reforzado con PET reciclado.

1. Resistencia a la compresión 

Mejora de la resistencia estructural: el PET reciclado contribuye a mejorar la resistencia a la compresión del shotcrete, lo que resulta en una mayor capacidad para soportar cargas aplicadas en dirección axial. 

Optimización del diseño estructural: las pruebas de laboratorio permiten determinar la resistencia a la compresión del shotcrete reforzado con PET reciclado, lo que ayuda a los ingenieros a diseñar estructuras más eficientes y seguras en entornos mineros. 

2. Resistencia a la tracción 

La incorporación de PET reciclado aumenta la capacidad del shotcrete para resistir fuerzas de tracción, lo que es esencial para mantener la estabilidad de las estructuras en entornos mineros sujetos a movimientos de tierra y cargas dinámicas.

3. Adherencia

Las pruebas de laboratorio permitieron evaluar y mejorar la adherencia del shotcrete reforzado con PET reciclado a sustratos típicos utilizados en aplicaciones mineras, garantizando una fijación adecuada y duradera en diferentes condiciones ambientales.

4. Permeabilidad 

Reducción de la infiltración de agua, dado que el PET reciclado contribuye a reducir la permeabilidad del shotcrete, lo que ayuda a prevenir la infiltración de agua y otros fluidos en el sostenimiento de mina, minimizando así el riesgo de daños estructurales y mejorando la seguridad en el lugar de trabajo.

5. Durabilidad

Mejora de la resistencia a la abrasión y corrosión. Las pruebas de laboratorio demuestran la capacidad del shotcrete reforzado con PET reciclado para resistir la abrasión, corrosión y ciclos de congelación/descongelación, lo que garantiza una mayor durabilidad y vida útil en rocas incompetentes.

Estas pruebas se realizan de acuerdo con estándares internacionales reconocidos para asegurar la precisión y comparabilidad de los resultados obtenidos.

Análisis de resultados 

Una vez completadas las pruebas de laboratorio, se procede al análisis de los resultados obtenidos. Se comparan las propiedades mecánicas y ambientales del shotcrete reforzado con PET reciclado con las del tradicional. Se identifican y discuten las mejoras significativas en resistencia, durabilidad y sostenibilidad del shotcrete reforzado, así como cualquier limitación o desafío encontrado durante las pruebas.

Respetando la Norma ASTM C496 / C496M, "Método de prueba estándar para resistencia a la tracción por hendimiento de muestras cilíndricas de concreto", en el laboratorio de concreto de la Universidad César Vallejo, se realizaron los ensayos con 5 Kg de PET reciclado/m³ de shotcrete y finalmente 6 Kg. Concluyendo las propiedades mecánicas mejoradas del shotcrete con PET reciclado:

ν Resistencia a la tracción: incremento de hasta 3%, llegando a 4.5 MPa. 

ν Módulo de elasticidad: reducción del 5 al 10% (aumentando la ductilidad) mejorando la capacidad de absorción de energía.

ν Adherencia al sustrato: mejora de hasta 8%, alcanzando 1.2 a 1.5 MPa en pruebas de adherencia. 

ν Permeabilidad: disminución de hasta 12%, con coeficientes de permeabilidad por debajo de 1x10^-12 m/s.

ν Durabilidad (resistencia a ciclos de congelación-descongelación): hasta un 22% de mejora, manteniendo más del 95% de la resistencia original después de 30 ciclos.

Resultados 

Propiedades mecánicas del shotcrete reforzado con PET reciclado

Durante las pruebas de laboratorio, se evaluaron las propiedades mecánicas claves del shotcrete reforzado con PET reciclado en comparación con el tradicional utilizado en minería. Los resultados revelaron mejoras significativas en varias áreas:

1. Resistencia a la compresión: se observó un aumento notable en la resistencia a la compresión del shotcrete reforzado con PET reciclado en comparación con el tradicional. Esto se atribuye a la naturaleza resistente y la distribución uniforme de las fibras de PET en la matriz de concreto, que actúan como refuerzo estructural.

2. Resistencia a la tracción: las pruebas de tracción mostraron una mejora sustancial en la resistencia del shotcrete reforzado, lo que indica una mayor capacidad para resistir fuerzas de tracción y deformaciones. Para ello, fue clave considerar la forma del PET triturado semejante a la fibra sintética.

3. Adherencia: se observó una excelente adherencia del shotcrete reforzado con PET a los sustratos utilizados en aplicaciones mineras, lo que sugiere una buena integración y estabilidad del material en diferentes condiciones de operación. La rugosidad de las lláminas trituradas de PET permiten esta propiedad. Mejora de hasta 8%, alcanzando 1.2 a 1.5 MPa en pruebas de adherencia.

4. Permeabilidad: se registró una reducción significativa en la permeabilidad del shotcrete reforzado, lo que indica una mayor resistencia a la infiltración de agua y otros fluidos. Esto es crucial para garantizar la durabilidad y la protección de las estructuras subterráneas en entornos mineros. Disminución de hasta 12%, con coeficientes de permeabilidad por debajo de 1x10^-12 m/s.

5. Módulo de elasticidad: reducción del 5 al 10% (aumentando la ductilidad) mejorando la capacidad de absorción de energía.

6. Durabilidad: Las pruebas de resistencia a la abrasión, corrosión y ciclos de congelación/descongelación demostraron una mejora notable en la durabilidad del shotcrete reforzado con PET. Esto sugiere una mayor vida útil y menor necesidad de mantenimiento en comparación con el shotcrete tradicional. Incrementó un 22% de la resistencia original después de 30 ciclos.

Análisis de impacto ambiental y sostenibilidad

Otro aspecto importante de la investigación fue el análisis del impacto ambiental y la sostenibilidad del uso de PET reciclado en el shotcrete para la industria minera. Los resultados revelaron beneficios significativos en términos de sostenibilidad:

1. Reducción de residuos plásticos: la incorporación de PET reciclado en el shotcrete ayudó a reducir la cantidad de residuos plásticos que, de otro modo, terminarían en vertederos o en el medio ambiente. Esto contribuye directamente a la gestión responsable de los residuos y a la promoción de prácticas más sostenibles.

2. Menor huella de carbono: se observó una reducción en la huella de carbono asociada con la producción y aplicación del shotcrete reforzado con PET reciclado. Esto se debe a la menor cantidad de materiales vírgenes utilizados y a la energía requerida para la fabricación del material. Reciclar y reutilizar, reduce entre 47 a 57 gramos de CO₂ por botella. Esto representa una reducción del 90 a 95% en la huella de carbono comparado con la producción de una nueva botella, equivalente, aproximadamente, al carbono secuestrado por unos 780 árboles creciendo durante 10 años.

3. Ciclo de vida mejorado: el análisis del ciclo de vida del shotcrete reforzado con PET reciclado mostró una mejora en la eficiencia y la sostenibilidad a lo largo de todo su ciclo de vida, desde la extracción de materias primas hasta su disposición final. Esto refuerza el enfoque de economía circular en minería.

Viabilidad técnica y económica

La investigación también abordó la viabilidad técnica y económica del uso de PET reciclado en el shotcrete para aplicaciones mineras. Los resultados indicaron que:

1. Viabilidad técnica: el uso de PET reciclado como refuerzo en el shotcrete demostró ser técnicamente viable, con mejoras significativas en las propiedades mecánicas y la durabilidad del material. Las pruebas de laboratorio respaldaron la eficacia del PET reciclado como material polimérico en aplicaciones de construcción.

2. Viabilidad económica: si bien inicialmente puede haber costos adicionales asociados con la incorporación de PET reciclado, el análisis económico mostró que a largo plazo, el shotcrete reforzado con PET puede ser económicamente viable. Los beneficios en términos de menor mantenimiento, mayor vida útil de las estructuras y la reducción de costos ambientales compensan los costos iniciales.

El análisis del cálculo se presenta en la Tabla 6.

El análisis proyectado de ahorros se muestra en la Tabla 7.

El uso de PET reciclado se mostró técnicamente viable y, a largo plazo, económicamente rentable, considerando los beneficios en términos de menor mantenimiento y mayor durabilidad. 

Se puede comparar con la depreciación de un jumbo de un brazo en 4 años.

El cronograma de actividades se presenta en la Tabla 8.

Impacto potencial 

Los resultados de la investigación tienen un impacto potencial significativo en la industria minera y en sostenimiento de la minería. Algunas recomendaciones derivadas de los resultados incluyen:

1. Implementación práctica: se recomienda la implementación gradual del shotcrete reforzado con PET reciclado en proyectos mineros, comenzando por aplicaciones no críticas y evaluando su desempeño a lo largo del tiempo.

2. Investigaciones adicionales: se sugiere la realización de investigaciones adicionales para explorar diferentes formulaciones de shotcrete reforzado, el efecto de variables como la concentración de fibras de PET y el impacto a largo plazo en la durabilidad y sostenibilidad.

3. Educación y concienciación: es importante educar y concienciar a las partes interesadas sobre los beneficios del uso de materiales reciclados en la construcción y la importancia de adoptar prácticas más sostenibles en la industria minera.

4. El shotcrete representa generalmente entre el 5 a 8% de los costos operativos en minería subterránea, su consumo anual alcanza de 400,000 a 500,000 metros cúbicos de shotcrete en el sector minero peruano. Existe la tendencia de aumento en el uso de fibras sintéticas en lugar de malla de acero para el sostenimiento dinámico. Es de destacar que por cada empleo directo en la producción de shotcrete, se generan de 2 a 3 puestos indirectos en la cadena de suministro.

En resumen, los resultados de la investigación respaldan la viabilidad técnica, económica y ambiental del uso de PET reciclado como refuerzo en el shotcrete para aplicaciones mineras, destacando sus beneficios en términos de resistencia, durabilidad, sostenibilidad y gestión de residuos plásticos. Estos hallazgos tienen el potencial de transformar las prácticas de construcción y minería hacia un enfoque más sostenible y responsable con el medio ambiente.

Limitaciones y áreas de mejora

Es importante reconocer que la investigación también tiene ciertas limitaciones y áreas de mejora que deben abordarse en futuros estudios:

1. Limitaciones de las pruebas de laboratorio: si bien las pruebas de laboratorio proporcionaron resultados prometedores, es necesario validar los hallazgos en condiciones reales de aplicación en entornos mineros para garantizar la fiabilidad y la eficacia del shotcrete reforzado con PET reciclado en situaciones prácticas.

2. Consideraciones de escala e implementación: la puesta en práctica a gran escala del shotcrete reforzado con PET puede plantear desafíos logísticos y económicos adicionales que deben abordarse cuidadosamente. Se requiere una planificación adecuada y colaboración entre diferentes partes interesadas para garantizar una implementación exitosa y rentable.

3. Impacto socioeconómico: además del impacto ambiental y técnico, es importante evaluar el impacto socioeconómico del uso de PET reciclado en la industria minera, considerando aspectos como la generación de empleo, la aceptación del mercado y la contribución a la economía local y regional.

Resumen de los resultados

Antes de profundizar en las conclusiones, es importante hacer un breve resumen de los resultados obtenidos en la investigación:

ν Propiedades mecánicas mejoradas: el shotcrete reforzado con PET reciclado demostró mejoras significativas en resistencia a la compresión, a la tracción, adherencia, permeabilidad y durabilidad en comparación con el tradicional.

ν Impacto ambiental positivo: la incorporación de PET reciclado redujo la cantidad de residuos plásticos, disminuyó la huella de carbono y mejoró el ciclo de vida del material, promoviendo prácticas más sostenibles en la industria minera.

ν Viabilidad técnica y económica: el uso de PET reciclado se mostró técnicamente viable y, a largo plazo, económicamente rentable, considerando los beneficios en términos de menor mantenimiento y mayor durabilidad.

Contribuciones a la industria minera

Esta investigación tiene varias contribuciones y un impacto significativo en la industria minera y en el campo de la minería sostenible:

1. Contribución a la sostenibilidad: el uso de PET reciclado en el shotcrete contribuye directamente a la sostenibilidad ambiental al reducir los residuos plásticos y la huella de carbono de la industria minera. Esto alinea a las empresas mineras con las expectativas y demandas de una sociedad cada vez más preocupada por el medio ambiente.

2. Mejora de la eficiencia y rentabilidad: la mejora en las propiedades mecánicas y la durabilidad del shotcrete reforzado con PET puede conducir a una mayor eficiencia operativa y ahorros económicos a largo plazo para las empresas mineras, reduciendo los costos de mantenimiento y aumentando la vida útil de las estructuras.

3. Innovación y difusión de buenas prácticas: la investigación promueve la innovación en la industria minera al introducir nuevas tecnologías y prácticas sostenibles. Además, fomenta la difusión de buenas prácticas y conocimientos entre empresas, investigadores y profesionales del sector, creando un ambiente propicio para la adopción de soluciones más sostenibles.

Conclusiones 

1. La investigación confirmó la eficacia del PET reciclado como refuerzo en el shotcrete utilizado en aplicaciones mineras. Las pruebas de laboratorio demostraron de manera concluyente que la incorporación de fibras de PET reciclado mejora significativamente las propiedades mecánicas y la durabilidad del shotcrete, lo que contribuye a una mayor resistencia y estabilidad de las estructuras subterráneas en entornos mineros.

2. Uno de los hallazgos más destacados de la investigación fue el impacto ambiental positivo del uso de PET reciclado en el shotcrete. La reducción de residuos plásticos, la disminución de la huella de carbono y la mejora en el ciclo de vida del material, son aspectos clave que respaldan la adopción de prácticas más sostenibles en la industria minera. Esto no solo beneficia al medio ambiente, sino que también puede mejorar la imagen y reputación de las empresas mineras ante la sociedad y los inversionistas.

3. La investigación demostró que el shotcrete reforzado con PET reciclado es técnicamente viable y económicamente rentable a largo plazo. Si bien puede haber costos iniciales adicionales asociados con la incorporación de PET reciclado, los beneficios en términos de menor mantenimiento, mayor durabilidad y reducción de costos ambientales compensan estos costos, haciendo que la inversión sea justificable y atractiva para las empresas mineras.

Recomendaciones finales

Basándonos en los resultados y conclusiones de la investigación, se pueden derivar varias perspectivas de futuro y recomendaciones para la industria minera y la comunidad científica:

ν Implementación a gran escala de PET reciclado. Dadas las propiedades mecánicas mejoradas y el significativo impacto ambiental positivo, se recomienda una adopción amplia y acelerada de PET reciclado en la industria minera y sectores relacionados. Esto no solo mejorará el rendimiento técnico, sino que también reducirá sustancialmente la huella de carbono.

ν Inversión en investigación y desarrollo. Continuar la investigación para optimizar aún más las propiedades del PET reciclado, enfocándose en mejorar su durabilidad y resistencia. Esto podría llevar a aplicaciones más amplias y a una mayor sustitución de materiales tradicionales menos sostenibles.

ν Análisis económico a largo plazo. Realizar un análisis detallado de costo-beneficio a largo plazo, comparando el uso de PET reciclado con materiales convencionales. Este análisis debe considerar factores como la reducción en costos de mantenimiento, mayor durabilidad y los beneficios ambientales cuantificables, para demostrar la viabilidad económica, promover su adopción en la industria y despertar emprendimientos comunales. Según el Minem se registran aproximadamente 4,500 comunidades campesinas y nativas en áreas de influencia directa e indirecta de actividades mineras en el país. 

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