Technical and Environmental Feasibility of Recycled Plastic Fibres From Food Packaging Wastes as Reinforcement in Concrete

Abstract

The growing and current concern for the enormous quantities of plastic waste produced each year, and the now inevitable daily use of plastic, has attracted the attention of more and more researchers for many years. Plastic waste can follow different paths in order to be disposed or be recycled or transformed into energy. The plastic packaging sector occupies the first place in Europe with regard to the use of plastic, and for this reason, most of the studied have focused on it in order to find solutions at the end of life of this material. Within plastic packaging, a large part of the market is made up of food plastic packaging. Its countless advantages have been developed in recent years thanks to new technologies and new material products. Among these, it can be found that the films used in food plastic packaging can be monolayer, made with a single material, or multilayer, which instead consist of two or more layers of different materials for each layer. The latter offer numerous advantages over the former because multiple functions and requirements are met at the same time. Simultaneously, however, numerous problems appears when they become waste difficult for managing because their recycling is difficult, due to it is made up of materials with different characteristics. The main objective of this doctoral thesis is to help find a new end-of-life to multilayer food plastic packaging waste and, at the same time, to deal with the use of innovative materials in the engineering and construction sector. This research was addressed on two points: from a technical nature, aiming at ascertaining whether the new material tested, that is the concrete reinforced with recycled plastic fibres (RPF) obtained from multilayer films of industrial waste from food plastic packaging, had the same physical characteristics and mechanical performance compared to ordinary concrete; and from an environmental nature, aiming at assessing the impact on environment that this new material could have based on leaching tests. The research was divided into the following phases: 1. A first theoretical phase of bibliographic and regulatory investigation on the subject of the doctoral thesis, during which a bibliographic compilation and revision of the updated literature on the topic was carried out; 2. A second phase, which was experimental, from a feasibility and technical perspective, that developed through the acquisition of plastic waste from a Spanish company operating in the packaging sector, with which the macro plastic fibres used were obtained and prepared, and then added to the mixture to produce the concrete specimens necessary to be subjected to physical and mechanical tests. The specimens produced were cubic, cylindrical, and prismatic with a fibre content of 2 kg/m3, 4 kg/m3 and 6 kg/m3. Two types of control specimens were also made: a control specimen of concrete without reinforcement, and fibre-reinforced concrete made with a commercial polypropylene fibre with a dosage of 2 kg per m3 of concrete. From the results of the compression and bending tests, the respective resistance values at 7 and 28 days, the modulus of elasticity and the toughness of the material have been obtained. Physical-chemical analyses were also carried out on concrete specimens. 3. And an also final experimental phase were different types of leaching tests were performed: (1) basic characterization on RPF, and (2) maximum availability and (3) leaching test for the manufactured concrete in monolithic state. Following the processing, analysis and comparison of the results obtained from the tests, the following conclusions could be drawn: 1) mechanical: • The physical properties studied were not significantly affected by the addition of recycled plastic fibres; • The addition of RPF produced a certain decrease in compressive and flexural strength, but an improvement in the post-cracking properties of the concrete was achieved; • The increase in toughness index with an increase in the percentage of recycled plastic fibres confirmed their stitching action inside the cement matrix; • The toughness index presented by the concrete with commercial fibres was greater than that with the same dosage of RPF, due to its rougher surface and greater adherence to the cementitious matrix. Furthermore, it should be noted that the toughness index relative to the mixture with 6 kg of recycled plastic fibres per cubic meter of concrete was comparable to that with commercial plastic fibre (PFRC-REF). This suggests that manufacturing RPF with a rougher surface could lead to a reduction in the amount needed to achieve similar toughness index levels to PFRC-REF; 2) environmental: • Waste plastic food packaging, used for the preparation of plastic sheets to be used as fibre reinforcement in concrete, showed low release levels of the elements determined by the Council Decision 2003/33/EC and they were under the inert limits, except for antimony. Hence, they were classified as nonhazardous material; • The low release levels in concrete with RPF confirms that its incorporation into concrete reduced the concentrations in leachates to a minimum. The concentrations of the elements with higher mobility, in the long-term, were much lower than the limits imposed by regulations for “shaped” construction materials, such as Soil Quality Degree (from The Netherlands); • The study carried out to identify the transport and chemical mechanisms, indicated that the release patterns were: wash-off for Sb, Zn (although Zn also presented depletion in the final steps) and Cr in concrete samples with RPF; dissolution for Ba, except for FRC-REF samples; and diffusion for Cr in FRCREF and C-REF samples; • This type of material did not present any possible environmental impact and could be a viable alternative that would help increase the valorization of such types of plastic waste, which is considered as being one of the biggest concerns worldwide.

La creciente y actual preocupación por las enormes cantidades de residuos plásticos que se producen cada año, y el ya inevitable uso diario del plástico, ha llamado la atención de cada vez más investigadores desde hace muchos años. Los desechos plásticos pueden seguir diferentes caminos para ser eliminados, reciclados o transformados en energía. El sector de los envases de plástico ocupa el primer lugar en Europa en cuanto al uso de plástico, y por ello, la mayoría de los estudios se han centrado en él para encontrar soluciones al final de la vida de este material. Dentro de los envases de plástico, una gran parte del mercado está formado por envases de plástico para alimentos. Sus innumerables ventajas se han desarrollado en los últimos años gracias a las nuevas tecnologías y nuevos materiales. Entre estos, se puede encontrar que los films utilizados en los envases de plástico para alimentos pueden ser monocapa, fabricados con un solo material, o multicapa, que en cambio consisten en dos o más capas de diferentes materiales para cada capa. Estos últimos ofrecen numerosas ventajas sobre los primeros porque se cumplen múltiples funciones y requisitos al mismo tiempo. Simultáneamente, sin embargo, aparecen numerosos problemas cuando se convierten en residuos de difícil gestión debido a que su reciclaje es complicado, al estar formado por materiales de diferentes características. El principal objetivo de esta tesis doctoral es ayudar a encontrar una segunda vida a los residuos de envases de plástico alimentario multicapa y, al mismo tiempo, abordar el uso de materiales innovadores en el sector de la ingeniería y la construcción. Esta investigación se abordó en dos puntos: de carácter técnico, con el objetivo de determinar si el nuevo material ensayado, es decir, el hormigón armado con fibras plásticas recicladas (RPF) obtenido a partir de películas multicapa de residuos industriales de envases plásticos alimentarios, tenía las mismas características físicas características y comportamiento mecánico en comparación con el hormigón ordinario; y de carácter ambiental, con el objetivo de evaluar el impacto sobre el medio ambiente que podría tener este nuevo material en base a ensayos de lixiviación. La investigación se dividió en las siguientes fases: 1. Una primera fase teórica de investigación bibliográfica y normativa sobre el tema de la tesis doctoral, durante la cual se realizó una revisión bibliográfica actualizada sobre el tema; 2. Una segunda fase, de carácter experimental, desde el punto de vista técnico y de viabilidad, que se desarrolló mediante la adquisición de residuos plásticos a una empresa española del sector del embalaje, con los que se obtuvieron y prepararon las macrofibras plásticas utilizadas en esta investigación, para luego añadirlas a la mezcla para la elaboración de las probetas de hormigón necesarias para ser sometidas a ensayos físicos y mecánicos. Los especímenes producidos fueron cúbicos, cilíndricos y prismáticos con un contenido de fibra de 2 kg/m3, 4 kg/m3 y 6 kg/m3. También se realizaron dos tipos de probetas de control: una probeta de control de hormigón sin refuerzo de fibras y una de hormigón fireforzado con fibras comerciales con una dosificación de 2 kg por m3 de hormigón. De los resultados de los ensayos de compresión y flexión se han obtenido los respectivos valores de resistencia a los 7 y 28 días, el módulo de elasticidad y la tenacidad del material. También se realizaron análisis físico-químicos en probetas de hormigón. 3. En tercer lugar, se llevó a cabo unauna última fase experimental en la que se realizaron diferentes tipos de lixiviación: (1) caracterización básica sobre RPF, y (2) máxima disponibilidad y (3) ensayo de lixiviación para el hormigón fabricado en estado monolítico. Tras el procesamiento, análisis y comparación de los resultados obtenidos de los ensayos, se pueden extraer las siguientes conclusiones: 1) mecánicas: • Las propiedades físicas estudiadas no se vieron significativamente afectadas por la adición de fibras plásticas recicladas; • La adición de RPF produjo una cierta disminución en la resistencia a la compresión y a la flexión, pero se logró una mejora en las propiedades postfisuración del hormigón; • El aumento en el índice de tenacidad al incrementar el porcentaje de fibras plásticas recicladas confirmó su acción de unión tras fallo dentro de la matriz de cemento; • El índice de tenacidad que presentó el hormigóncon fibras comerciales fue mayor que con la misma dosificación de RPF, debido a su superficie más rugosa y mayor adherencia a la matriz cementosa. Además, cabe señalar que el índice de tenacidad relativo a la mezcla con 6 kg de fibras plásticas recicladas por metro cúbico de hormigón fue comparable al de la fibra plástica comercial (PFRC-REF). Esto sugiere que la fabricación de RPF con una superficie más rugosa podría conducir a una reducción en la cantidad necesaria para lograr niveles de índice de tenacidad similares a los de PFRCREF; 2) ambiental: • Los residuos de envases de plástico para alimentos, utilizados para la preparación de hojas de plastico para ser utilizadas como refuerzo de fibras en el hormigón, mostraron bajos niveles de liberación de los elementos determinados por la Decisión del Consejo 2003/33/CE y se encontraban por debajo de los límites de los agregados, a excepción del antimonio. Por lo tanto, fueron clasificados como material no peligroso; • Los bajos niveles de liberación en hormigones con RPF confirman que su incorporación al hormigón no supone un riesgo medioambiental de acuerdo con los ensayos estudiados. Las concentraciones de los elementos con mayor movilidad, a largo plazo, fueron muy inferiores a los límites impuestos por las normativas para materiales de construcción “conformados” como el Soil Quality Degree (de Holanda); • El estudio realizado para identificar los mecanismos químicos y de transporte, indicó que los modelos de liberación fueron: “wash-off” para Sb, Zn (aunque Zn también presentó depleción en los pasos finales) y Cr en muestras de concreto con RPF; disolución para Ba, excepto para muestras FRC-REF; y difusión para Cr en muestras FRC-REF y C-REF; • Este tipo de material no presentó ningún posible impacto ambiental y podría ser una alternativa viable que ayudaría a aumentar la valorización de este tipo de residuos plásticos, que se considera una de las mayores preocupaciones a nivel mundial.