UNIVERSIDAD DE COSTA RICA SISTEMA DE ESTUDIOS DE POSGRADO DISEÑO DE LA PRODUCCIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS CON RESIDUOS PLÁSTICOS MEDIANTE LA METODOLOGÍA IDOV DE SEIS SIGMA, INCORPORANDO LOS LINEAMIENTOS DE ECONOMÍA CIRCULAR. Trabajo final de investigación aplicada sometido a la consideración de la Comisión del Programa de Estudios de Posgrado en Ingeniería Industrial para optar al grado y título de Maestría Profesional en Ingeniería Industrial con énfasis en Manufactura y Calidad RAFAEL ERNESTO VILLEGAS VILLEGAS Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica 2021 ii Dedicatoria A Dios. Por su infinito amor y misericordia. A mi Esposa Judith. Por haberme apoyado en todo momento, por la motivación constante que me ha permitido concluir esta etapa, pero más que nada, por su gran ayuda en todas las situaciones de mi vida. A mis hijos Juan Pablo, Aarón y Elena Por ser mi motor y el por el tiempo que no pasé con ustedes por cumplir este objetivo. A mi Familia En especial a mi padre y a mi madre (QEPD). Por los ejemplos de perseverancia y constancia que los caracterizan y que me han infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante y por su amor. A la Ing. Fabiola Miranda Arguello. MSc (QEPD). Por animarme, impulsarme, apoyarme desinteresadamente y creer en mí. Mi familia y yo te estaremos siempre agradecidos y hoy sin duda serías parte de este proyecto. Fabi que Dios te acoja en su seno. iii Agradecimientos A la empresa PAVICEN, a todo su personal, pero en especial al Ing. Javier Apestegui Arias. Por facilitarme lo necesario para este estudio, por su confianza, pero también por todo lo que aprendí de ustedes en esta experiencia. Al Dr. Roberto Quirós, al Dr. José Pablo Aguiar Moya, a la MSc Alejandra Baldi Sevilla y al MSc Ronny Pacheco. Por ser parte en este proyecto. A la Sección de Mantenimiento y Construcción, en especial al Ing. Héctor Hernández Simoni. Por su valiosa y expedita colaboración para que el proyecto fuese una realidad y por tener muy clara la visión del ser de nuestra Universidad. A mi compañera de maestría la Ing. María Solieth Gallo Pérez. Por todo su apoyo durante toda la maestría, logramos ser un gran equipo. A todos los que me han formado en mi vida. Por tantas horas de enseñanza y por dejar una huella en mí. iv Hoja de aprobación “Este trabajo final de investigación aplicada fue aceptado por la Comisión del Programa de Estudios de Posgrado en Ingeniería Industrial de la Universidad de Costa Rica, como requisito parcial para optar al grado y título de Maestría Profesional en Ingeniería Industrial con énfasis en Manufactura y Calidad” ___________________________________ Dr. Jonathan Agüero Valverde Representante de Decano Sistema de Estudios de Posgrado ___________________________________ Dr. Roberto Quirós Vargas Profesora Tutor ___________________________________ Dr. José Pablo Aguiar Moya Lector ___________________________________ MSc. Alejandra Baldi Sevilla Lectora ___________________________________ MSc. Ronny Pacheco Segura Lector ___________________________________ Mag. Ileana Aguilar Mata Directora del Programa de Posgrado en Ingeniería Industrial ___________________________________ Rafael Ernesto Villegas Villegas Sustentante v Tabla de contenido Dedicatoria................................................................................................................................... ii Agradecimientos ........................................................................................................................ iii Hoja de aprobación ....................................................................................................................iv Resumen ...................................................................................................................................... ix Lista de tablas ............................................................................................................................. x Lista de Figuras .......................................................................................................................... xi Lista de abreviaturas ................................................................................................................. xv Capítulo I: El problema y su importancia ................................................................................ 1 1.1. Introducción ............................................................................................................... 1 1.2. Justificación de la problemática .......................................................................... 2 1.3. Objetivo general y objetivos específicos ............................................................... 8 1.3.1. Objetivo general ........................................................................................................ 8 1.3.2. Objetivos específicos ............................................................................................... 8 1.4. Factibilidad del proyecto de investigación ............................................................ 8 1.5. Alcances de la investigación y limitaciones ....................................................... 10 Capítulo II: Marco teórico ........................................................................................................ 12 2.1. Referencia contextual................................................................................................ 12 2.1.1 Asia .......................................................................................................................... 13 2.1.2 África ....................................................................................................................... 16 2.1.3 Europa ..................................................................................................................... 17 2.1.4 América ................................................................................................................... 18 2.1.5 Costa Rica .............................................................................................................. 19 2.2. Referencia conceptual. ............................................................................................. 21 2.2.1 Los materiales. ...................................................................................................... 22 2.2.2 El proceso de producción de mezcla asfáltica. ........................................... 25 vi 2.2.4 Proceso Industrial. ............................................................................................... 33 2.2.5 La sostenibilidad en la producción de mezclas asfálticas con plástico de desecho. ...................................................................................................................... 37 2.2.6 Metodología IDOV Seis Sigma .......................................................................... 40 2.2.7 La Economía Circular .......................................................................................... 42 2.2.8 Estimación de costos de producción. ............................................................ 46 Capítulo III: Metodología de la investigación ....................................................................... 47 3.1. Tipo de investigación ................................................................................................ 47 3.2. Definición de los elementos de estudio ............................................................... 48 3.3. Diseño instrumental ................................................................................................... 50 3.4. Metodología de análisis de la información recolectada ................................... 51 3.5. Metodología de validación ....................................................................................... 54 3.6. Plan de trabajo ............................................................................................................ 56 Capítulo IV: Diseño. ................................................................................................................. 58 4.1. Identificación de características de proceso. ..................................................... 58 4.1.1 Carta de Proyecto (Proyect Charter). .............................................................. 60 4.2. Análisis de la capacidad instalada de la planta. ................................................ 61 4.3. Requerimientos técnicos. ........................................................................................ 69 4.4. Identificación según IDOV........................................................................................ 75 4.4.1. Diagrama SIPOC (Supplier, Input, Process, Output, Customer). ........... 75 4.4.2. La voz del cliente VOC (Voice of the customer). ........................................ 76 4.4.3 Factores Críticos para la Calidad CTQ (Critical to Quality). ..................... 81 4.5. Diseño. ........................................................................................................................... 86 4.5.1. Diseño teórico de mezcla asfáltica con plástico. ....................................... 86 4.5.2. Diseño de mezcla asfáltica con plástico a utilizar en planta. .................. 92 4.6. Proceso de Producción. ........................................................................................... 95 4.6.1 Proceso de producción mezcla asfáltica convencional. ........................... 96 vii 4.6.2 Diseño de proceso de producción mezcla asfáltica con plástico de desecho. ......................................................................................................................... 101 Capítulo V: Validación. .......................................................................................................... 110 5.1. Validación Proceso de Producción. .................................................................... 110 5.1.1. Dinámica de la incorporación del plástico en la producción. ............... 110 5.2. Control de calidad de mezcla asfáltica con residuos plásticos................... 117 5.3. Capacidad de proceso. ........................................................................................... 119 5.4. Cálculo de circularidad del proceso de producción de mezclas asfálticas con plásticos de desecho. ............................................................................................. 127 5.5. Estimación de costos de producción. ................................................................ 137 5.6. Construcción de tramo experimental de carretera con mezcla asfáltica con residuos plásticos. ........................................................................................................... 142 Capítulo VI: Discusión. .......................................................................................................... 149 6.1. Discusión. ................................................................................................................... 149 6.2. Lecciones aprendidas. ............................................................................................ 154 6.3. Aporte a la academia. .............................................................................................. 155 Capítulo VII: Conclusiones y recomendaciones. ............................................................... 158 7.1. Conclusiones. ............................................................................................................ 158 7.2. Recomendaciones. ................................................................................................... 160 Bibliografía ............................................................................................................................... 162 Apéndice .................................................................................................................................. 167 Apéndice 1. Sección 401.03 Composición de la mezcla asfáltica (dosificación de diseño)-CR-2010. ............................................................................................................... 167 Apéndice 2. Sección 401.04 Planta de mezclado-CR-2010. ..................................... 171 Apéndice 3. Resolución de construcción tramo Oficina de Servicios Generales. .. 172 Apéndice 4. Permiso de construcción tramo Oficina de Servicios Generales. ....... 173 Apéndice 5. Disposición final de construcción tramo Oficina de Servicios Generales. ............................................................................................................................................... 174 viii Apéndice 6. Informe de ensayos de control de calidad a la mezcla asfáltica con residuos plásticos, aportada por PAVICEN. .................................................................. 175 Apéndice 7. Porcentaje de asfalto sobre el peso total del agregado (PTA). ........... 179 ix Resumen El aumento en la generación de residuos plásticos y su impacto al medio ambiente debido a los nuevos patrones de consumo establecidos y la baja tasa de reciclaje de estos, ha sido objeto de preocupación para Costa Rica y la mayor parte de los países del mundo. Esta tesis de maestría tiene como objetivo diseñar el proceso de producción de mezcla asfáltica modificada con residuos plásticos en planta conforme a los lineamientos de economía circular, con el fin de contribuir con el desarrollo sostenible. Los estudios se han basado en la metodología IDOV de Seis Sigma y en el análisis de circularidad del proceso. El capítulo 2, hace referencia a las diferentes técnicas utilizadas a nivel mundial para la utilización de residuos plásticos en proyectos de infraestructura vial y los avances realizados en ese campo en Costa Rica. El capítulo 3, muestra la metodología de validación que se utilizó en el proyecto y las técnicas de recolección de información necesarias para lograr los objetivos trazados en este proyecto. La etapa del diseño, en el capítulo 4, se centró en analizar el proceso que ya existe e identificar los requerimientos técnicos principales en la producción de la mezcla asfáltica, se estudian los aspectos críticos en cuanto a la calidad y la definición del proceso de acuerdo con el proveedor de los materiales, conocer cuáles son los elementos que se incorporan durante la producción y el estudio proceso en sí, y registrar los elementos resultantes. En el capítulo 5, se realiza la producción de la mezcla asfáltica con plástico, para poder obtener datos valiosos, como por ejemplo las estimaciones en cuanto a la capacidad y los costos de producción. La mezcla asfáltica con residuos plásticos se utilizó para construir un tramo de carretera como validación de proceso. Las recomendaciones van dirigidas a técnicos, ingenieros y tomadores de decisiones en proyectos de infraestructura vial. x Lista de tablas Tabla 1. Tamaños nominales de los agregados. ................................................................ 24 Tabla 2. Cálculo de Indicador de Circularidad de Material ................................................ 45 Tabla 3. Metodología Instrumental. ....................................................................................... 51 Tabla 4. Plan de trabajo. ......................................................................................................... 56 Tabla 5. Carta de Proyecto..................................................................................................... 60 Tabla 6. Tipos de mezcla asfáltica en caliente de acuerdo con su uso según Tabla 401-1 del CR-2010. .................................................................................................................. 71 Tabla 7. Requisitos para mezclas asfáltica Tabla 401-3 del CR-2010. ........................... 72 Tabla 8. Tolerancias aceptables entre fórmula de trabajo y la verificación según Tabla 401-04 del CR-2010. ................................................................................................................ 74 Tabla 9. Parámetros para diseño teórico de mezclas asfálticas con residuos plásticos para proceso de producción. .................................................................................................. 87 Tabla 10. Simbología de desarrollo del diagrama de flujo. ............................................... 97 Tabla 11. Resumen del diseño de mezcla asfáltica convencional. .................................. 98 Tabla 12. Resumen del diseño de mezcla asfáltica con plástico de desecho. ............ 101 Tabla 13. Resultados de pesaje unidad de medida de incorporación del plástico. ..... 108 Tabla 14. Especificaciones para la validación de la capacidad de proceso (CP). ....... 120 Tabla 15. Resultados de laboratorio para el porcentaje de vacíos. ............................... 124 Tabla 16. Cálculo de índices de capacidad de proceso para el porcentaje de vacíos. ................................................................................................................................................... 124 Tabla 17. Resultados de laboratorio para estabilidad. ..................................................... 125 Tabla 18. Resultados de laboratorio para contenido de asfalto. .................................... 126 Tabla 19. Cálculo de índices de capacidad de proceso para contenido de asfalto. ... 126 Tabla 20. Datos necesarios para el cálculo del Índice de Circularidad para la producción de mezclas asfálticas con residuos plásticos. ............................................... 128 Tabla 21. Costo de material por tonelada en colones...................................................... 138 Tabla 22. Análisis de costos de producción por materiales de mezcla asfáltica convencional. .......................................................................................................................... 139 Tabla 23. Análisis de costos de producción por materiales de mezcla asfáltica con residuos plásticos. .................................................................................................................. 140 xi Lista de Figuras Figura 1. Porcentaje de desechos sólidos que se depositan en los océanos del mundo. ......................................................................................................................................... 4 Figura 2. Porcentaje de desechos sólidos que se depositan en los océanos de Costa Rica. .............................................................................................................................................. 5 Figura 3. Porcentaje de destino de los desechos sólidos en Costa Rica. ........................ 6 Figura 4. Diagrama de alcance de proyecto. ...................................................................... 11 Figura 5. Países que más contaminan con plástico el mar a 2010. ................................ 13 Figura 6. Canal de desechos plásticos Nueva Delhi. ........................................................ 14 Figura 7. Construcción de carreteras con plástico India. .................................................. 15 Figura 8. Construcción bloques de plástico para carreteras en Ghana. ......................... 16 Figura 9. Construcción losas de plástico para carreteras en Holanda. .......................... 17 Figura 10. Construcción de carreteras con plástico en Escocia. ..................................... 18 Figura 11. Bolsas para cubrir el banano procesadas y formación de cápsulas de polietileno (debido a partículas de bolsas grandes)............................................................ 19 Figura 12. Imagen topográfica con Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) de asfalto modificado con bolsas que cubren el banano. .................................................................... 20 Figura 13. Esquema del uso de mezcla de la mezcla asfáltica en la carretera. ............ 22 Figura 14. a) Ligante asfáltico, b) agregados pétreos, c) mezcla asfáltica y d) capa de rodadura construida de mezcla asfáltica. ........................................................................ 22 Figura 15. Plástico de desecho para modificación de mezcla asfáltica. ......................... 25 Figura 16. Esquema planta de producción de mezcla asfáltica. ...................................... 26 Figura 17. Sistema de alimentación y dosificación de agregados. .................................. 27 Figura 18. Secador de agregados. ....................................................................................... 28 Figura 19. Sistema de dosificación de asfalto. ................................................................... 29 Figura 20. Transportador y silo de almacenamiento.......................................................... 31 Figura 21. Relación entre la gestión de proyectos y la sostenibilidad. ........................... 32 Figura 22. Diseño de mezcla asfáltica con plástico de desecho. .................................... 33 Figura 23. Etapas para producción de mezcla asfáltica. ................................................... 34 Figura 24. Planta de producción de mezcla asfáltica Ammann de PAVICEN. .............. 36 Figura 25. Límite del sistema del proceso de la unidad de producción de la planta HMA. ........................................................................................................................................... 40 Figura 26. Modelos de Economía Lineal y Economía Circular. ....................................... 43 Figura 27. Fases del desarrollo del proyecto de graduación. ........................................... 58 xii Figura 28. Planta de producción de mezcla asfáltica marca Hotmix PAVICEN. ........... 61 Figura 29. Planta de producción de mezcla asfáltica Ammann Prime 140 PAVICEN. 62 Figura 30. Depósito principal de agregados planta PAVICEN. ........................................ 63 Figura 31. Tolvas de alimentación y dosificación de agregados planta Hotmix. ........... 63 Figura 32. Sistema de dosificación de agregados planta Ammann Prime 140. ............ 64 Figura 33. Tanques de almacenamiento de asfalto AC-30 en plantas de mezcla asfáltica marca Hotmix y Ammann Prime 140 sucesivamente. ........................................ 65 Figura 34. Tambor de secado de agregado y mezclador planta de mezcla asfáltica marca Hotmix PAVICEN. ........................................................................................................ 66 Figura 35. Mezclador planta de mezcla asfáltica Ammann Prime 140. .......................... 66 Figura 36. Sistema de alimentación de relleno mineral planta de mezcla asfáltica Ammann Prime 140. ................................................................................................................ 67 Figura 37. Sistema de control planta de mezcla asfáltica marca Hotmix. ...................... 68 Figura 38. Controladores analógicos planta de mezcla asfáltica marca Hotmix. .......... 68 Figura 39. Sistema de control planta de mezcla asfáltica Ammann Prime 140. ........... 69 Figura 40. Diagrama SIPOC proceso de manufactura de mezcla asfáltica con plástico de desecho. ............................................................................................................................... 76 Figura 41. Distribución de insumos para VOC según área de desempeño profesional. ..................................................................................................................................................... 77 Figura 42. Distribución de países donde se recolectaron los datos para el VOC. ........ 78 Figura 43. Número de menciones por característica de VOC para las mezclas asfálticas convencionales. ...................................................................................................... 80 Figura 44. Número de menciones por característica de VOC para las mezclas asfálticas con plástico de desecho. ....................................................................................... 81 Figura 45. Análisis preliminar de CTQ para las mezclas asfálticas con plástico de desecho según VOC. ............................................................................................................... 83 Figura 46. Análisis de CTQ para las mezclas asfálticas con plástico de desecho según VOC. ........................................................................................................................................... 83 Figura 47. Análisis de QFD para las mezclas asfálticas con plástico de desecho según CTQ. ........................................................................................................................................... 85 Figura 48. Pesos relativos de los CTQ. ............................................................................... 86 Figura 49. Resumen de diseño final para la producción de mezclas asfálticas con residuos plásticos. .................................................................................................................... 94 Figura 50. Comparación de formulaciones de diseño teórico y de producción para mezclas asfálticas con residuos plásticos. ........................................................................... 95 xiii Figura 51. Diagrama de flujo de la mezcla asfáltica convencional. ................................. 99 Figura 52. Modelo en FlexSim de proceso de producción mezcla asfáltica convencional. .......................................................................................................................... 100 Figura 53. Diagrama de flujo de la mezcla asfáltica con plástico de desecho. ........... 102 Figura 54. Modelo en FlexSim de proceso de producción mezcla asfáltica con plástico de desecho. ............................................................................................................................. 102 Figura 55. Secuencia de Modelación en FlexSim de proceso de producción mezcla asfáltica con plástico de desecho. ....................................................................................... 103 Figura 56. Tubería interconexión de la tubería que transporta el filler desde la trampa de polvos hasta el mezclador. .............................................................................................. 104 Figura 57. Diagrama de transporte de filler en planta. .................................................... 105 Figura 58. Unidad de medida de incorporación del plástico. .......................................... 107 Figura 59. Pesaje unidad de medida de incorporación del plástico. ............................. 108 Figura 60. Residuos plásticos por utilizar en el proceso de producción de mezcla asfáltica. ................................................................................................................................... 111 Figura 61. Equipo utilizado para moler el plástico............................................................ 111 Figura 62. Tamaño de partícula utilizado. ......................................................................... 112 Figura 63. Ductos para entrada de plástico al proceso de producción. ........................ 113 Figura 64. Detalle ducto para entrada de plástico al proceso de producción. ............. 114 Figura 65. Preparación de las unidades de medida para su incorporación al proceso de producción. ......................................................................................................................... 114 Figura 66. Verificación de tiempo de adición de plástico en el proceso de producción. ................................................................................................................................................... 115 Figura 67. Operación de adición del plástico al proceso de producción. ..................... 116 Figura 68. Proceso de mezclado de mezcla asfáltica con residuos plásticos. ............ 116 Figura 69. Despacho de mezcla asfáltica con residuos plásticos. ................................ 117 Figura 70. Diagrama de flujo económico de producción de mezcla asfáltica convencional. .......................................................................................................................... 139 Figura 71. Diagrama de flujo económico de producción de mezcla asfáltica con residuos plásticos. .................................................................................................................. 140 Figura 72. Proyección de precio ideal en colones para la producción de residuos plásticos para su uso en mezclas asfálticas. ..................................................................... 142 Figura 73. Tramo previo a la intervención en la Ciudad Deportiva en la Universidad de Costa Rica. .............................................................................................................................. 143 Figura 74. Daños estructurales del tramo previo a la intervención. .............................. 144 xiv Figura 75. Aplicación de riego de liga en el tramo. .......................................................... 144 Figura 76. Aplicación de la emulsión asfáltica en el tramo a construir. ........................ 145 Figura 77. Colocación de la mezcla asfáltica con residuos plásticos. .......................... 146 Figura 78. Compactación y acabado final del tramo construido. ................................... 147 Figura 79. Sección 401.03 Composición de la mezcla asfáltica (dosificación de diseño)-CR-2010-Parte 1. ..................................................................................................... 167 Figura 80. Sección 401.03 Composición de la mezcla asfáltica (dosificación de diseño)-CR-2010-Parte 2. ..................................................................................................... 168 Figura 81. Sección 401.03 Composición de la mezcla asfáltica (dosificación de diseño)-CR-2010-Parte 3. ..................................................................................................... 169 Figura 82. Sección 401.03 Composición de la mezcla asfáltica (dosificación de diseño)-CR-2010-Parte 4. ..................................................................................................... 170 Figura 83. Sección 401.04 Planta de mezclado-CR-2010. ............................................. 171 Figura 84. Resolución de construcción tramo Oficina de Servicios Generales. .......... 172 Figura 85. Permiso de construcción tramo Oficina de Servicios Generales. ............... 173 Figura 86. Disposición final de construcción tramo Oficina de Servicios Generales. . 174 Figura 87. Informe de ensayos de control de calidad a la mezcla asfáltica con residuos plásticos, aportada por PAVICEN-Parte 1. ........................................................................ 175 Figura 88. Informe de ensayos de control de calidad a la mezcla asfáltica con residuos plásticos, aportada por PAVICEN-Parte 2. ........................................................................ 176 Figura 89. Informe de ensayos de control de calidad a la mezcla asfáltica con residuos plásticos, aportada por PAVICEN-Parte 3. ........................................................................ 177 Figura 90. Informe de ensayos de control de calidad a la mezcla asfáltica con residuos plásticos, aportada por PAVICEN-Parte 4. ........................................................................ 178 xv Lista de abreviaturas AASHTO Asociación Estadounidense de Funcionarios Estatales de Carreteras y Transporte AC-30 Asfalto con viscosidad entre 2.400 y 3.600 Poises AFM Microscopia de Fuerza Atómica CE Economía Circular CEM Modelo de Economía Circular Cp Capacidad de proceso Cpi Índice de capacidad para la especificación inferior Cpk Índice de capacidad real del proceso Cpm Índice de Taguchi Cps Índice de capacidad para la especificación superior CR-2010 Manual de especificaciones generales para la construcción de carreteras en Costa Rica. CRRV Centros de Recuperación de Residuos Valorizables CTQ Factores Críticos para la Calidad DFSS Diseño para Seis Sigma DPMO Defectos por Millón de Oportunidades DSC Calorimetría de Barrido Diferencial EI Especificación inferior EMF Fundación Ellen MacArthur ES Especificación superior ESAL´s Ejes Equivalentes GEI Gases de Efecto Invernadero xvi GWP Potencial de Calentamiento Global HMA Mezcla Asfáltica en Caliente K Índice de centrado del proceso IDOV Seis Sigma: Identificar, Diseñar, Optimizar y Validar INTE Especificación Técnica de Calidad MCI Indicador de Circularidad de Material MOPT Ministerio de Obras Públicas y Transportes N Valor objetivo o nominal PNUD Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo PTA Peso Total del Agregado PTM Peso Total de la Mezcla QFD Función de Calidad o Casa de la Calidad RAP Reciclado de Pavimentos Asfálticos SIPOC Proveedor, Entrada, Proceso, Salida y Cliente SS Seis Sigma TGA Análisis Termo Gravimétrico TNM Tamaño Máximo Nominal TQC Control Total de la Calidad UNEP Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente USACE Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos VOC Voz del Cliente Autorización para digitalización y comunicación pública de Trabajos Finales de Graduación del Sistema de Estudios de Posgrado en el Repositorio Institucional de la Universidad de Costa Rica. Yo, Rafael Ernesto Villegas Villegas, con cédula de identidad 1-0847-0724, en mi condición de autor del TFG titulado Diseño de la producción de mezclas asfálticas modificadas con residuos plásticos mediante la Metodología IDOV de Seis Sigma, incorporando los lineamientos de economía circular. Autorizo a la Universidad de Costa Rica para digitalizar y hacer divulgación pública de forma gratuita de dicho TFG a través del Repositorio Institucional u otro medio electrónico, para ser puesto a disposición del público según lo que establezca el Sistema de Estudios de Posgrado. SI - NO *En caso de la negativa favor indicar el tiempo de restricción: _________ año (s). Este Trabajo Final de Graduación será publicado en formato PDF, o en el formato que en el momento se establezca, de tal forma que el acceso al mismo sea libre, con el fin de permitir la consulta e impresión, pero no su modificación. Manifiesto que mi Trabajo Final de Graduación fue debidamente subido al sistema digital Kerwá y su contenido corresponde al documento original que sirvió para la obtención de mi título, y que su información no infringe ni violenta ningún derecho a terceros. El TFG además cuenta con el visto bueno de mi Director (a) de Tesis o Tutor (a) y cumplió con lo establecido en la revisión del Formato por parte del Sistema de Estudios de Posgrado. INFORMACIÓN DEL ESTUDIANTE: Nombre Completo: Rafael Ernesto Villegas Villegas . Número de Carné: 906670 Número de cédula: 1-0847-0724. Correo Electrónico: rafael.villegas@ucr.ac.cr . Fecha: domingo 25 de enero del 2021 Número de teléfono: Nombre del Director (a) de Tesis o Tutor (a): Dr. Roberto Quirós Vargas. FIRMA ESTUDIANTE Nota: El presente documento constituye una declaración jurada, cuyos alcances aseguran a la Universidad, que su contenido sea tomado como cierto. Su importancia radica en que permite abreviar procedimientos administrativos, y al mismo tiempo genera una responsabilidad legal para que quien declare contrario a la verdad de lo que manifiesta, puede como consecuencia, enfrentar un proceso penal por delito de perjurio, tipificado en el artículo 318 de nuestro Código Penal. Lo anterior implica que el estudiante se vea forzado a realizar su mayor esfuerzo para que no sólo incluya información veraz en la Licencia de Publicación, sino que también realice diligentemente la gestión de subir el documento correcto en la plataforma digital Kerwá. 1 Capítulo I: El problema y su importancia 1.1. Introducción El exceso de consumo de bienes y servicios ha generado a nivel mundial, efectos nocivos en el medio ambiente, basados en una cultura de consumo fuertemente contaminante, el desecho masivo de residuos se ha convertido en un problema medio ambiental serio. Han estimado que 6,4 millones de toneladas de basura van a dar al mar, a una tasa aproximada de 200 Kg por segundo y el plástico representa el 80% de toda esa basura (UNEP, 2009). Según Greenpeace (2016) la producción de plástico en 2020 alcanzará los 500 millones de toneladas. En consecuencia, existen islas flotantes de plástico en el océano formadas por 5,25 trillones de plásticos flotantes (Jaen et al., 2019). En Costa Rica se generan, en promedio, entre 1 y 1,5 kg/persona de residuos sólidos al día, dependiendo de si es zona rural o urbana, por lo que cada día se producen 4 500 toneladas de residuos sólidos domiciliarios de los cuales un 93,5 % puede ser reutilizado o reciclado (Arguedas, et al., 2014). Hoy el manejo de los desechos sólidos, entre ellos los plásticos, no solo supone elevados costos para la sociedad, sino que constituye también una de las formas principales de deterioro del medio ambiente (Araya, 2001). La composición global de los 11 525 g de desechos sólidos, recogidos en las costas del Pacífico de Costa Rica, en el año 2000, fue un 31.0% de plásticos, 28.2% metales, 15.1% materiales celulósicos, 5.2% vidrios y 20.4% otros materiales. En el Caribe de Costa Rica, en el año 2000 se determinó un 41.0% de plásticos, 9.6% metales, 45.2% materiales celulósicos, 3.3% otros materiales, y no se encontró vidrios, en un total de 1 300 g de artículos recolectados (García et al., 2006). Hoy el manejo de los desechos sólidos, entre ellos los plásticos, no solo supone elevados costos para la sociedad, sino que constituye también una de las formas principales de deterioro del medio ambiente (Araya, 2001). Por lo tanto, se ha hecho evidente la necesidad de realizar transformaciones económicas, políticas, sociales, ambientales y educativas, en el nivel nacional; ya que, según Soto (2013), no se ha consolidado el fondo para la Generación Integral de Residuos 2 ni existen los reglamentos técnicos en los temas de funcionamiento de los rellenos sanitarios. 1.2. Justificación de la problemática En Costa Rica por día se producen 4.500 ton de residuos sólidos domiciliarios por día, de los cuales un 93,5 % puede ser reutilizado o reciclado (Arguedas, et al., 2014). El plástico parte esos residuos sólidos producidos en Costa Rica, los cuales tienen un bajo porcentaje de reciclaje y en su mayoría se depositan en el mar causando un grave daño ecológico (UNEP, 2009). Ante el panorama anterior el problema de esta investigación radica en: ¿cómo aprovechar los residuos plásticos en la producción de mezclas asfálticas?, con el fin de reducir la cantidad de plásticos que se vierten al medio ambiente. Actualmente existe una Ley titulada LEY PARA EL USO DE MATERIALES RECICLADOS EN OBRAS DE INFRAESTRUCTURA VIAL (LEY DE PAVIMENTOS RECICLADOS) que define: “en todo proyecto de construcción, reconstrucción, conservación, mantenimiento y rehabilitación que ejecute el Estado y las municipalidades en las vías nacionales y cantonales respectivamente al menos el 50% del volumen de la mezcla asfáltica que se requiera para realizar estas obras deberán contener materiales reciclados” (Asamblea General de la República de Costa Rica, 2020), impulsando al desarrollo sostenible a nivel de infraestructura vial. El proyecto pretende utilizar residuos plásticos como modificante de los pavimentos asfálticos, con el fin de dar una solución a un problema país, el cuál radica en la dificultad del manejo de los desechos sólidos, como el plástico, y poder emplearlos como un producto con utilidades económicas, sociales y ambientales. Para esto se utilizarán nuevas técnicas de manufactura de mezcla asfáltica que contribuirán al desarrollo sostenible, en los tres ejes (económico, social y ambiental) y a la economía del país, por su impacto directo en el buen desempeño de las carreteras asfálticas y su bajo costo. El modelo económico lineal, vigente hoy día, consistente en producir, consumir y desechar, ha estado en el corazón del desarrollo industrial y ha generado un 3 nivel de crecimiento sin precedentes, está alcanzando sus límites físicos. Tal modelo no es sostenible (Lacy et al., 2016). Una economía circular es reconstituyente y regenerativa por diseño, y se propone mantener siempre los productos, componentes y materiales en sus niveles de uso más altos (Cerdá et al., 2016). Ante este contexto, este proyecto se enmarca en economía circular, pues responde al cambio de pensamiento científico, empresarial y político, que se ha visto enfrentado a la necesidad de desarrollar estrategias que permitan hacer posible la sostenibilidad ambiental, sin dejar de lado los retos sociales y económicos del mundo actual (Sandoval et al., 2017). Una economía circular es reconstituyente y regenerativa por diseño, y se propone mantener siempre los productos, componentes y materiales en sus niveles de uso más altos (Cerdá y Khalilova, 2019). Se ha estimado que en el mundo 6,4 millones de toneladas de residuos se depositan indirectamente en el mar, a una tasa aproximada de 200 Kg por segundo y el plástico representa el 80% de todos esos residuos (UNEP, 2009). Según Greenpeace (2016) la producción de plástico en 2020 alcanzará los 500 millones de toneladas. En consecuencia, existen islas flotantes de plástico en el océano formadas por 5,25 trillones de plásticos flotantes (Jaen et al., 2019). Se ha estimado que en el mundo 6,4 millones de toneladas de residuos de depositan indirectamente en el mar, a una tasa aproximada de 200 Kg por segundo y el plástico representa el 80% de todos esos residuos (UNEP, 2009). 4 Figura 1. Porcentaje de desechos sólidos que se depositan en los océanos del mundo. Fuente: Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (UNEP, 2009). Un estudio realizado en 2020 por García et al. (2006), determinó que la composición global de los 11.525 kg de desechos sólidos, recogidos en las costas del Pacífico de Costa Rica, en el año 2000, fue un 31% de plásticos, 28% metales, 15% materiales celulósicos, 5% vidrios y 21% otros materiales. En referido estudio se encontró que, en el Caribe de Costa Rica, en el año 2000 se determinó un 41% de plásticos, 10% metales, 46% materiales celulósicos, 3% otros materiales, y no se encontró vidrios, en una muestra de 1.300 kg de artículos recolectados (García et al., 2006). 5 Figura 2. Porcentaje de desechos sólidos que se depositan en los océanos de Costa Rica. Fuente: Revista de Biología Tropical (2006). Según el PNUD, Costa Rica desecha por día cerca de 550 toneladas de plástico, las cuales se distribuyen de la siguiente manera: 80% (440 toneladas) se lanza al mar; 11% (60,5 toneladas) queda en botaderos y el ambiente; y solo el 9% (49,5 toneladas) es reciclado (Navarrete, 2020). 31% 28% 15% 5% 21% Desechos sólidos costa Pacífico Plástico Metales Celulosos Vidrios Otros 41% 10% 46% 3% Desechos sólidos costa Caribe Plástico Metales Celulosos Otros 6 Figura 3. Porcentaje de destino de los desechos sólidos en Costa Rica. Fuente: Revista Investiga TEC (2020). La promoción de Centros de Recuperación de Residuos Valorizables (CRRV) forma parte de la estrategia país para aumentar el porcentaje de residuos valorizados. Sin embargo, en Costa Rica, existe un vacío de conocimiento sobre el manejo y los procesos productivos de los CRRV a nivel nacional. En ese sentido, la reutilización de plásticos sin valor comercial genera un aporte a la economía, esto considerando que en Costa Rica se utilizan otros tipos de polímeros comerciales para mejorar la mezcla asfáltica, incrementando su costo de producción en aproximadamente de $20 a USD $40 más alto por tonelada (Villegas et al., 2018). Por otro lado, según las expectativas de diseño propuesto, la utilización de plásticos en proyectos carreteros como modificante de las mezclas asfálticas tradicionales generando un valor ambiental positivo, pues permite una reducción de desechos sólidos por el alto volumen de materia prima necesarios para los proyectos. Por ejemplo, una vagoneta de 20 toneladas de mezcla asfáltica es capaz de pavimentar 17 metros lineales de carretera, en esa longitud, por lo que la incorporación de plásticos en una mezcla de 1% representaría aproximadamente la incorporación de 6,5x103 botellas plásticas de 600 mililitros. 80% 11% 9% Se vierte al mar Botaderos y rellenos sanitarios Reciclaje 7 Por tanto, este proyecto ofrece una solución eficaz para el tratamiento, la reutilización y la incorporación del plástico de desecho en una actividad económica, como lo es la producción de mezclas asfálticas para la construcción de carreteras, enmarcándolo dentro de los lineamientos de economía circular. No obstante, aunque a nivel mundial se han realizado numerosos estudios sobre la modificación de mezcla asfáltica con plásticos, estos estudios han dado excelentes resultados a nivel de laboratorio y aunque se han documentado proyectos de carretera utilizando este material, no se ha documentado el proceso de producción en planta. En Costa Rica se han realizo estudios de alto nivel en la Universidad de Costa Rica, donde resultados de laboratorio han validado las mezclas asfálticas con plástico. El aporte de esta investigación consiste en dotar al sector carretero de un proceso de producción en planta de mezclas asfálticas con plástico, que sea reproducible, que cumpla los requerimientos de mercado, pero que además sea un proceso de manufactura industrial documentado, algo que en el país no se ha realizado. Para esto es importante incorporar a la producción herramientas de la ingeniería industrial que contenga elementos como cambios de distribución, capacidad de proceso y elementos de calidad. Para que este proceso sea 100% aplicable y sea verdadera alternativa ecológica, es necesario el apoyo de la industria, con el fin de estudiar el proceso, producir y proponer un proceso de producción de mezcla asfáltica con plástico capaz de reproducirse en otras plantas del país, a partir de estudios realizados en la industria. En este sentido la Constructora PAVICEN Ltda, aporta al proyecto sus instalaciones, personal y equipos para producir la mezcla asfáltica con plástico. Esta empresa cuenta con dos plantas para producir mezcla asfáltica, ambas de tipo continuo, pero un con el mezclador separado del tambor de secado, lo que brinda alternativas de diseño. 8 1.3. Objetivo general y objetivos específicos 1.3.1. Objetivo general Diseñar el proceso de producción de mezcla asfáltica modificada con residuos plásticos conforme a los lineamientos de economía circular, con el fin de contribuir con el desarrollo sostenible. 1.3.2. Objetivos específicos - Analizar el proceso de producción de mezcla asfáltica en caliente, utilizando herramientas de ingeniería industrial para incorporar plástico de desecho como material sustituto y modificante. - Diseñar un sistema de producción con el fin de obtener una mezcla asfáltica modificada con residuos plásticos, con el fin de lograr una mezcla de buen desempeño en campo. - Validar el diseño del proceso de producción de mezclas asfálticas con residuos plásticos, mediante una planta piloto, de tal forma que sea reproducible para ser producida en cualquier planta del país. -Incorporar el pensamiento de la economía circular mediante el diseño y validación indicadores de circularidad con el fin de que se reduzca al mínimo la generación de residuos plásticos. - Producir y colocar mezcla asfáltica en un tramo de prueba transitable, lo cual es único en Costa Rica. 1.4. Factibilidad del proyecto de investigación La Universidad de Costa Rica, diseñó una mezcla asfáltica con plástico triturado, el cual sustituye hasta el 3% del agregado. Este diseño resultó mejorar propiedades de la mezcla asfáltica como la deformación permanente y la fatiga (Villegas et al., 2018). 9 El aporte de esta investigación radica en el diseño del sistema de producción para producir mezcla asfáltica con plástico hasta el 3%, según factibilidad de proceso, de tal forma que sea trabajable, que cumpla los parámetros volumétricos de diseño y de buen desempeño. Por otro lado, en el marco de la LEY PARA EL USO DE MATERIALES RECICLADOS EN OBRAS DE INFRAESTRUCTURA VIAL (LEY DE PAVIMENTOS RECICLADOS), la cual presenta una oportunidad valiosa desde el punto de vista de producción de mezcla asfáltica, puesto que genera un marco de referencia en los carteles de licitación, lo cual por ende genera la necesidad de utilizar técnicas de producción como la que se propone en este proyecto. Es importante tener en cuenta que la Constructora PAVICEN Ltda, contribuirá en esta investigación con la elaboración y aplicación de las mezclas en un tramo de carretera en la Ciudad Deportiva de la Universidad de Costa Rica, lo que permite que el diseño de la mezcla y de la producción puedan ser validados de forma efectiva y verdadera. PAVICEN es una empresa con vasta experiencia en la producción e instalación de mezcla asfáltica en caliente y en la construcción de proyectos viales, además ha participado en proyectos de urbanismo, mejorando su proceso de cambio, innovando con tecnologías limpias y de punta. En PAVICEN se han preocupado por el medio ambiente, por lo cual han adquirido una nueva planta de producción, la cual están dispuestos a utilizarla en la producción de mezcla asfáltica con plástico, con el fin de cumplir con los requerimientos de la LEY DE PAVIMENTOS RECICLADOS y, por otro lado, rediseñar sus procesos y programas para protección al medio ambiente con el fin de lograr una certificación en el ámbito ecológico. Es un tema de interés mundial, al cual le precede una ley a nivel país que tiene beneficios sociales, ambientales y económicos, por lo que es necesario hacerlo parte de los proyectos de ingeniería industrial. Para poder llevar a cabo este trabajo es importante la utilización de herramientas propias de la maestría, además de trabajar de forma interdisciplinaria. El proyecto tiene una relación con múltiples disciplinas de las ciencias aplicadas tales como: 10 -Ingeniería Industrial. -Ingeniería Electromecánica. - Ingeniería Civil. -Ingeniería Ambiental. -Sostenibilidad. -Ciencia y tecnología de los materiales (eje transversal de cualquier ingeniería). En consecuencia, se gesta un proyecto sostenible para el sector de infraestructura del transporte, el cual mueve una gran cantidad de materiales y recursos, que busca un impacto en la ecología, y en el cual, poco se ha hecho para aportar al tema de sostenibilidad. Por ende, el diseño de mezclas asfálticas y su producción darán un aporte sustancial al manejo de desechos sólidos que pretende Costa Rica, el cual promueve el uso equilibrado de los recursos (Espinoza et al., 2017). 1.5. Alcances de la investigación y limitaciones Este esfuerzo busca dar una propuesta a un problema país, el cuál radica en una solución al manejo de los desechos del plástico que contaminan el medio ambiente. Esta solución radica en diseñar un sistema producción de mezcla asfáltica con residuos plásticos, reproducible para la construcción de carreteras. Este trabajo plantea el estudio y diseño del proceso convencional de producción de mezcla asfáltica en caliente, para implementar la producción de dicha mezcla modificada con plástico proveniente de los residuos sólidos. Esto incluye el diseño de indicadores de circularidad que muestran el aporte del plástico al ser reinsertado al medio ambiente. 11 Figura 4. Diagrama de alcance de proyecto. 12 Capítulo II: Marco teórico 2.1. Referencia contextual La referencia contextual se entenderá como las condiciones temporales y espaciales que describirá el entorno del presente proyecto de graduación (Hernández et al., 2014). Según Salazar de Gómez, citada en el libro, los estudiantes que se inician en la investigación comienzan planteándose un problema en un contexto general, luego ubican la situación en el contexto nacional y regional para, por último, proyectarlo en el ámbito local; es decir, donde se encuentran académicamente ubicados (campo, laboratorio, salón de clases, etcétera) (Hernández et al., 2014). Esta investigación tiene como eje fundamental dar una solución a un problema país, el cuál radica en una solución al manejo de los desechos del plástico que contaminan el medio ambiente. Esta solución radica en diseñar un sistema producción de mezcla asfáltica con residuos plásticos, reproducible para la construcción de carreteras. Es un tema de interés mundial, al cual Costa Rica no escapa y ha consolidado esfuerzos concretos que derivan en una ley de sostenibilidad en la construcción de carreteras que tiene beneficios sociales, ambientales y económicos, de la cual se detalló en el capítulo anterior. Por otro lado, según las expectativas de diseño propuesto, la utilización de plásticos en proyectos carreteros como modificante de las mezclas asfálticas tradicionales generando un valor ambiental positivo, pues permite una reducción de desechos sólidos por el alto volumen de materia prima necesarios para los proyectos. Para poder llevar a cabo este trabajo es importante la utilización de herramientas interdisciplinarias, pero en también es de suma importancia la delimitación del problema y la forma en que ha sido abordado tanto a nivel nacional como internacional. La problemática de los plásticos no sólo se ha convertido en un problema ambiental, ha llegado también a serlo a un nivel político, muchos gobiernos ya 13 están tomando medidas ante esta problemática. Entre estas medidas se encuentran iniciativas como las de prohibir las bolsas plásticas de un solo uso, la cual generaría un excelente aporte, pero no es suficiente para dar solución al problema de los desechos plásticos. Según Statista (2018) en 2010, la investigadora de la Universidad de Georgia Jenna Jambeck analizó junto con su equipo la cantidad de plástico arrojado en los océanos en 2010 y de qué países provenía. En ese contexto a continuación se presentan la lista de países con más desechos plásticos en el mundo y el total en millones de toneladas métricas. Figura 5. Países que más contaminan con plástico el mar a 2010. Fuente: Statista (2018). 2.1.1 Asia Según El Universo (2018) en sus titulares advierte: un océano de plástico invade Nueva Delhi, en India, aduciendo a la difícil situación ambiental y de salud pública de esa región. Este artículo literalmente versa: lo que antes fue un canal ahora es una inmensa lengua de residuos plásticos. Un panorama dantesco al que tienen que enfrentarse a diario los habitantes de Taimur Nagar, en las afueras de Nueva Delhi, una de las ciudades más contaminadas del mundo. 14 Figura 6. Canal de desechos plásticos Nueva Delhi. Fuente: Diario El Universo (2018). Por otro lado, Malasia se ha convertido en los últimos años en uno de los mayores importadores de plástico del mundo. Ante la negativa de China de recibir residuos plásticos de países como Reino Unido, Estados Unidos y Japón, terminaron desembarcando de enero a julio de 2018, alrededor de 754mil toneladas de desechos plásticos, específicamente en Jenjarom, la ciudad de Tay (Tan, 2019). Ante este panorama, desde los 90 se ha realizado investigación para determinar la idoneidad del de los residuos plásticos como modificador en modificante en las mezclas asfálticas. Según Gawande et al. (2012) el concepto de utilización de residuos plásticos en la construcción de pavimento se ha realizado desde 2000 en la India. A partir de ahí se han realizado esfuerzos para utilizar plásticos en la construcción de carreteras utilizando diferentes técnicas, en diferentes continentes. 15 En India, una nueva técnica de construcción de carreteras está avanzando rápidamente. Más de 34 mil km de caminos en India son caminos de plástico, según un informe del Foro Económico Mundial (Gulf News, 2017). El uso de plástico reciclado para construir carreteras no solo frena la contaminación, sino que también crea empleos, dijeron los expertos. Bajo el programa masivo de reciclaje de plástico del gobierno, los recicladores recolectan basura plástica que se tritura en máquinas subsidiadas por el gobierno indio, el cuál venden a los constructores de carreteras (Gulf News, 2017). Figura 7. Construcción de carreteras con plástico India. Fuente: Gulf News (2017). El primer método utilizado en India fue el método húmedo, esto significa que se le incorpora plástico al asfalto proveniente de la refinería. El protocolo de incorporación es el siguiente: • Limpieza • Secado • Conminución • Fusión a 170 °C • Mezclado con el asfalto 16 El uso de varios tipos de plástico en carreteras en India difiere a la tecnología europea de construcción de carreteras que utiliza plástico reciclado. En la actualidad la India utiliza el método seco para la incorporación del plástico en la mezcla asfáltica, este método consiste en sustituir una fracción del agregado de la mezcla por plástico. 2.1.2 África En Ghana, Nelplast Ghana Limited, una compañía que se especializa en procesamiento industrial con aportes ecológicos está convirtiendo la basura plástica en bloques de pavimento en forma de piedra que se pueden usar para construir nuevas carreteras (Design Indaba, 2018). Figura 8. Construcción bloques de plástico para carreteras en Ghana. Fuente: Design Indaba (2018). En la fábrica Nelplast, las bolsas de plástico desechadas y otros desechos plásticos se trituran en finos hilos antes de mezclarlos con arena común, creando una nueva versión del asfalto tradicional. Esta técnica puede usar casi cualquier tipo de desecho plástico para crear su material similar al asfalto (Design Indaba, 2018). 17 2.1.3 Europa En Holanda, la empresa Plastic Roads está en estudios para implementar una losa completamente de plástico reciclado con drenajes, sistema pluvial y tubería de gas. Se aduce que los caminos durarían tres veces más, el mantenimiento y la interrupción del tráfico serán cosa del pasado. Por otro lado, que los problemas de cables y tuberías, así como el problema del agua urbana se resolverían fácilmente (Plastic Roads, 2020). Figura 9. Construcción losas de plástico para carreteras en Holanda. Fuente: Plastic Roads (2020). En Escocia, la planta de MacRebur en Lockerbie utiliza residuos que habrían ido al vertedero para ayudar a producir asfalto. El método toma gránulos de plásticos que se mezclan con un activador para hacer que el plástico se una y luego se empaca para distribuir a los productores de asfalto (BBC, 2019). Las carreteras convencionales usan petróleo crudo para producir asfalto que une las rocas. Como se observa en la Figura 10, este nuevo proceso reemplaza parte del asfalto con plástico, en un producto con formulación secreta. 18 Figura 10. Construcción de carreteras con plástico en Escocia. Fuente: BBC (2019). 2.1.4 América En Estados Unidos, los estudiantes de la Universidad de California en San Diego tienen como proyecto pavimentar un área pequeña frente a un complejo de viviendas para graduados, pero la universidad puede introducir mezcla asfáltica con plástico en todo el campus si resulta viable, especialmente debido a sus beneficios ambientales (Global Citizen, 2018). Según esta Universidad, la mezcla asfáltica con plástico reduce la cantidad de asfalto y reutiliza los desechos plásticos que de otro modo contaminarían el ambiente, también es una alternativa más barata que el asfalto tradicional. La mezcla asfáltica con plástico reciclado está cerrando el círculo mediante el uso de plástico que se había utilizado para otra cosa y dándole nueva vida, manteniendo el plástico fuera de vertederos y océanos, como lo expresa el gerente de sostenibilidad del campus. También aduce que este producto tiene una huella de carbono incorporada más baja que la mezcla asfáltica tradicional, evitando que se emitan algunos gases de efecto invernadero y contribuyendo al cambio climático (Global Citizen, 2018). 19 2.1.5 Costa Rica El primer trabajo formal se publicó en 2012 en el Eurobitumen, Estambul Turquía, como parte de esta investigación, se usó un desperdicio de la industria de producción de banano para modificar el asfalto, el cual consistía en utilizar las bolsas de polietileno que se usan para cubrir la fruta para prevenir plagas y aumentar la calidad general del material. La bolsa modificaba el asfalto en un proceso que consistía en agregarle recortes con caras de 4 cm en un proceso de homogeneización de 2 horas a 160ºC, como se muestra en la Figura 11. El proceso de homogeneización exhibió una distribución adecuada del plástico dentro del asfalto, medido por la microscopía de fuerza atómica. Las propiedades de la bolsa se evaluaron mediante pruebas fisicoquímicas y calorimétricas, y el rendimiento del asfalto modificado se analizó mediante pruebas de fluencia, recuperación de fluencia por estrés múltiple y fatiga. Se observó que la bolsa inicia su degradación a 150ºC y aproximadamente a 450ºC se degrada por completo. A 325ºC se liberan gases clorados y sulfoclorados producto del chlorpyrifos, un pesticida utilizado para proteger el banano de plagas (Villegas et al., 2012). Figura 11. Bolsas para cubrir el banano procesadas y formación de cápsulas de polietileno (debido a partículas de bolsas grandes). Fuente: Villegas (2012). Un estudio realizado por Villegas et al. (2013) cuestionaba que históricamente las técnicas de modificación en muchos de los casos, se hace de forma cualitativa basada ya sea en la experiencia del que modifica, o siguiendo indicaciones del fabricante, sin realizar un estudio previo de sus materiales de partida y de las condiciones del proceso de modificación, además de las 20 variables que afecten a este proceso. Los autores propusieron una metodología integral basada en técnicas de ciencias de materiales como Microscopia de Fuerza Atómica (AFM) como se muestra en la Figura 12, Reología, Calorimetría de Barrido Diferencial (DSC), Análisis Termo gravimétrico (TGA), los cuales proporcionan información importante para el diseño de las condiciones del proceso de modificación, con base en parámetros cualitativos. Esta metodología permitiría el control de calidad no solo de los materiales de partida (asfalto y modificante), el producto final (asfalto modificado), en un esquema de sencilla aplicación metodológica, pero de alta eficacia en la aceptación o rechazo del asfalto modificado, según los parámetros de desempeño requeridos (Villegas et al. 2013). Figura 12. Imagen topográfica con Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) de asfalto modificado con bolsas que cubren el banano. Fuente: Villegas (2013). Un estudio realizado por Aguiar et al. (2015), estudió las mezclas asfálticas modificadas con bumper (parachoques de autos) y polipropileno, Esta técnica consiste en la adición de polímeros (plásticos) a las mezclas asfálticas convencionales con el fin de mejorar sus características mecánicas; es decir, su resistencia al deterioro por factores climatológicos y por el peso vehicular. 21 Tras múltiples ensayos y estudios, logró determinar que la nueva mezcla, tiene un buen desempeño, logrando una capa asfáltica resistente a la deformación permanente y el daño por humedad. Villegas et al. (2018), plantean el método vía seca, el cual consiste en sustituir una fracción del agregado pétreo la mezcla asfáltica, por residuos plásticos que presenten el mismo tamaño nominal, para eso presentaron las siguientes recomendaciones: • Utilizar el menor tamaño de partícula del plástico como sea posible. Esto evitara complicaciones como heterogeneidad y segregaciones de dicho material en la matriz de la mezcla asfáltica. • Homogenizar el modificante con los agregados antes de la preparación de la mezcla asfáltica. • Establecer según el estudio del plástico la temperatura y el tiempo de mezclado. • Siempre realizar un diseño de mezcla y probar los valores de esta con ensayos de laboratorio. Esta metodología permitió evidenciar los cambios ocurridos en la mezcla modificada con el plástico y evidencia una mejora significativa en las propiedades requeridas del material. El estudio apelaba a que en Costa Rica el costo por utilización de mezcla producida con asfalto modificado es aproximadamente $20 USD/Tonelada mayor que la mezcla sin modificar. En una producción de 500 toneladas diarias, el incremento en los costos sería de $10.000 USD por día (Villegas et al., 2018). 2.2. Referencia conceptual. La dimensión conceptual constituye sin dudas el centro del marco teórico, su andamiaje fundamental, pues con ella se busca explicitar, clarificar y definir las diferentes dimensiones e indicadores a partir de los cuales se ha operacionalizado el objeto de estudio (Ramos et al., 2018). 22 2.2.1 Los materiales. Las mezclas asfálticas se emplean en la construcción de carreteras, mayoritariamente en capas de ruedo, su función es proporcionar una superficie de ruedo cómoda y segura a los usuarios, como se observa en la Figura 13. Figura 13. Esquema del uso de mezcla de la mezcla asfáltica en la carretera. Las mezclas asfálticas son una combinación de un ligante asfáltico cuyo objetivo es recubrir de forma continua y homogénea los agregados pétreos (piedras). Por lo general se producen en caliente, calentando el asfalto para reducir su viscosidad y conseguir el recubrimiento antes mencionado de los agregados pétreos también calientes, obsérvese Figura 14. a) b) c) d) Figura 14. a) Ligante asfáltico, b) agregados pétreos, c) mezcla asfáltica y d) capa de rodadura construida de mezcla asfáltica. 23 El asfalto es un producto obtenido como residuo de la destilación del petróleo; lo que hace que su composición química pueda ser clasificada como compleja, y variante entre una fuente y otra. Debido a que este factor afecta directamente sus características físicas de desempeño, se hace importante considerar el estudio que la constitución química pueda generar, sobre el comportamiento mecánico general de este material (Aguiar et al., 2018). A nivel molecular, los elementos más abundantes en el asfalto son: carbono, hidrógeno, heteroátomos -como el sulfuro, nitrógeno y oxígeno- y algunos metales -tales como el níquel, vanadio y el hierro-. Las moléculas de asfalto se caracterizan por tener tres tipos de enlaces carbono-carbono: alifáticos, fuertes y ramificadas cadenas de hidrocarbonos; nafténicos, anillos de hidrocarbonos saturados; y aromáticos, anillos estables no saturados de hidrógeno-carbono (Amina, 2012). Para la fabricación de las mezclas asfálticas los agregados pétreos se utilizan en fracciones uniformes, a partir de los cuales se construye la granulometría según el diseño requerido. Los tamaños granulométricos utilizados en la manufactura de mezcla asfáltica se muestran en la Tabla 1. 24 Tabla 1. Tamaños nominales de los agregados. Malla Malla (mm) ¾ 19 ½ 12,5 3/8 9,5 No.4 4,75 No.8 2,36 No.16 1,18 No.30 0,6 No.50 0,3 No.100 0,15 No.200 0,075 Fuente: Ramírez (2004) Considerando que la modificación de asfaltos es una práctica cada vez más común, la cual genera un costo por la utilización de polímeros comerciales, es de interés realizar la modificación mediante el uso de materiales que pueden presentar un impacto ambiental severo debido a razones como contaminación o dificultad de desecho, tal como se observa en la Figura 15. Para el caso de Costa Rica, existen muchos plásticos candidatos, algunos son el bumper de automóviles, el polipropileno y polietileno de botellas y bolsas, aunque el proceso de producción que se propone busca la incorporación de cualquier tipo de plástico, la escogencia de este depende del diseño aportado por el laboratorio a la planta de producción. Es de resaltar que, debido a las políticas país, cada vez más los desechos se vuelven una creciente preocupación de la ciudadanía por analizar como reutilizarlos y reciclarlos. 25 Figura 15. Plástico de desecho para modificación de mezcla asfáltica. 2.2.2 El proceso de producción de mezcla asfáltica. Las mezclas asfálticas en caliente se fabricarán mediante plantas centrales de mezclado continuo o discontinuo, capaces de manejar, simultáneamente, el número de fracciones del agregado que exija la fórmula de trabajo adoptada. Se deberá tener un control y aseguramiento de la calidad de los agregados que garantice el cumplimiento de las especificaciones técnicas (Ramírez et al., 2004). El proceso de elaboración de mezcla, en planta y en caliente (Temperatura de 150 °C), donde la dosificación de los agregados: agregado grueso, agregado fino, rellenador (filler), polvo mineral y cemento asfáltico se realiza por medio de métodos estrictamente controlados (Chinchilla, 2008). Se deberá llevar un control permanente en la planta de los apilamientos de trabajo, que garantice, en todo momento, la uniformidad del material (incluida la humedad) y el cumplimiento de las especificaciones. Todo el proceso de producción de la mezcla deberá estar soportado y monitoreado permanentemente, con base en un sistema de aseguramiento de la calidad debidamente diseñado, probado, implementado y documentado, que garantice el estricto cumplimiento de todas las especificaciones pertinentes (Ramírez et al., 2004). 26 En la Figura 16 se muestra un esquema general de una planta asfáltica, en las cual se representan sus componentes principales de funcionamiento. Figura 16. Esquema planta de producción de mezcla asfáltica. Fuente: 3ing (2020). A continuación, se describen de forma general, los distintos componentes de las plantas para mezcla asfáltica en caliente, con el fin de clarificar el proceso productivo. Par esto se hará referencia a un estudio realizado (Chinchilla, 2008). a) Sistema de alimentación y dosificación de agregados. Este sistema es el encargado de la captación de los agregados, a temperatura ambiente, está compuesto múltiples tolvas, dependiendo el tipo y los requerimientos del tipo de planta, como se muestra en la Figura 17. Tolvas: Son elementos en forma de tronco piramidal invertidos, con capacidades de entre 5m³ hasta 8m³. En estas es depositado cada uno de los agregados pétreos. Limitan la salida del agregado y por ende hacer la dosificación necesaria. Célula de Pesaje: dosifica los agregados por peso y la unidad de medida puede ser Ton / hora. 27 Transportador colector: consiste en una correa transportadora donde son llevados los agregados ya dosificados en forma conjunta y uniforme. Es uno de los factores más importantes para la calidad de la mezcla, como se muestra en la Figura 17. 1. Tolva 2. Correa dosificadora 3. Guía trasera 4. Guías Laterales 5. Rodo guía tensor 6. Rodo accionador 7. Motorreductor 8. Rodos de carga 9. Rodo Balanza 10. Célula de carga. Figura 17. Sistema de alimentación y dosificación de agregados. Fuente: CMI-Cifal (2003). b) Secador de agregados Tiene la función de secar los agregados pétreos y elevarlos a la temperatura de mezclado, necesaria para la elaboración de la mezcla. Es un cilindro metálico, que gira alrededor de su eje, sus aletas internas arrastran los agregados y los exponen al calor de la llama se encuentra en un extremo del cilindro. Los vapores producidos por la humedad contenida en los agregados, es removida por la circulación controlada de gas y aire producida por el ventilador. Como se muestra en la Figura 18, en las plantas de tambor el secado de los agregados se realiza en el tambor secador-mezclador. 28 Figura 18. Secador de agregados. Fuente: ASTEC INC (2020). c) Sistemas colectores de polvo. Su principal función la eliminación de micropartículas que son liberados al medio ambiente, para evitar la contaminación. Las partículas que son producidas durante el proceso de secado provenientes de los agregados; son arrastradas por el flujo de aire producido por el ventilador extractor y luego son atrapadas y precipitadas por el sistema colector de polvo. Pueden ser colectados vía húmeda o vía seca. d) Sistema de cribado. Es un proceso regularmente exclusivo para plantas convencionales e intermitentes, consiste en hacer pasar los agregados ya secados a través de diferentes tamices, con el objeto de obtener la granulometría deseada para la mezcla. e) Silos de almacenamiento de agregados cribados. Estos silos son exclusivamente utilizados en las plantas intermitentes, son depósitos intermedios para los agregados secos y cribados previamente a ser pesados y mezclados. Están diseñados para reducir al mínimo las segregaciones. f) Sistema de alimentación de relleno mineral. El polvo recuperado por el colector de finos puede ser reincorporado al mezclador por medio de un alimentador y un elevador quedando apilado en el 29 silo correspondiente. Para las plantas de tambor mezclador los finos recuperados en el filtro de mangas, son reincorporados en el tambor mezclador. g) Sistema de almacenamiento y calentamiento del cemento asfáltico. El sistema de almacenamiento del cemento asfáltico consiste en tanques de almacenamiento, provistos de dispositivos para calentar el cemento asfáltico hasta la temperatura de diseño, dependiendo del tipo de cemento asfáltico que se va a trabajar. h) Sistema dosificador de cemento asfáltico. En las plantas continuas la dosificación del cemento asfáltico se realiza por medio de bombas a presión, como se muestra en la Figura 19. Los tipos más utilizados son las bombas de volumen constante, pero también se utilizan las de volumen variable. a) Entrada de aceite térmico b) Salida de aceite térmico c) Entrada de cemento asfáltico d) Salida de cemento asfáltico e) Prensa empaque. Figura 19. Sistema de dosificación de asfalto. Fuente: CMI-Cifal (2003). 30 i) Mezclador. Es donde los agregados se mezclan con el asfalto. El tiempo de mezclado está en función de la capacidad del mezclador y la producción. Tiempo de mezclado (s) = Capacidad del mezclador (Kg) Producción (Kg/s) j) Sistema de control. El sistema de control está compuesto principalmente por el Hardware (componentes físicos) y Software. Parte de estos ubicados en una cabina de control, donde se encuentran todos los mandos de la planta y desde donde se pueden monitorear todas las operaciones de arranque, funcionamiento, acciones correctivas y paro de esta. El Hardware comprende desde las computadoras, impresora de reportes, y todos los controles electrónicos y eléctricos ubicados en la cabina de control y el sistema de control compuesto por los dispositivos eléctricos y electrónicos que reciben las señales de los distintos sensores ubicados en la planta y que envían y reciben operaciones de mando de los microprocesadores en cabina de control (Chinchilla, 2008). k) Transportador escalonado y silo de almacenamiento. El transportador escalonado, tiene como función transportar la mezcla terminada, hacia el depósito de descarga o hacia un silo de almacenamiento, dependiendo si la planta está equipada con éste. Es colocado de forma inclinada a 45 hasta 55 grados según sea el caso. Los silos de almacenamiento son depósitos cilíndricos recubiertos con un aislante térmico para mantener la temperatura de la mezcla, en algunos casos son equipados con serpentines para recirculación de aceite térmico, su diseño se realiza de tal forma de evitar la segregación de la mezcla. Como se observa en la Figura 20, la utilización de los silos de almacenamiento para mezcla terminada, se hacen necesarios por la razón de mantener una capacidad de compensación para mantener una producción continua (Chinchilla, 2008). 31 Figura 20. Transportador y silo de almacenamiento. Fuente: DIMAC SA (2020). 2.2.3 Relación entre el control de proceso y la sostenibilidad en la Producción de Mezcla Asfáltica. Según Shen et al. 2010 la construcción sostenible promueve el equilibrio entre la protección del medio ambiente, desarrollo económico y desarrollo social. Pearce (2008) propone el concepto de gestión integral de costos que consiste en considerar tres aspectos desde el inicio del proyecto: (1) el impacto de decisiones del diseño o la construcción sobre costos a lo largo de todo el ciclo de vida; (2) las oportunidades para mejorar el diseño que minimizando el costo inicial; y (3) externalizarlo para que represente una mejor decisión en términos de costos. Pearce (2008) concluye que el desafío para los gerentes de proyecto, diseñadores y otros es identificar y justificar el uso de elementos de sostenibilidad que no influyen en el costo o que ahorren costos. 32 Figura 21. Relación entre la gestión de proyectos y la sostenibilidad. Fuente: Marcelino-Sabadá (2015). Marcelino-Sabadá et al. 2015 presenta el modelo conceptual de las cuatro dimensiones de proyectos sostenibles. El primero se centra en productos de proyectos sostenibles, el segundo sobre los procesos que ayudan a incluir la sostenibilidad en el proyecto, el tercero en organizaciones comprometidas con la sostenibilidad y el cuarto en personal capacitado y comprometido con la sostenibilidad. Por otro lado, el equipo directivo, que son los gestores de proyecto, trabaja lo relacionado con los tres aspectos principales de la sostenibilidad: social, económico y ambiental. La participación de las partes interesadas es fundamental para acotar el alcance del proceso o producto sostenible en un proyecto específico (Achterkamp y Vos, 2006). Es muy importante para la consolidación de la gestión de proyectos, tener claros y bien establecidos los índices utilizados para evaluar la sostenibilidad de ese proyecto (Singh et al., 2007). Una de las primeras dificultades en la gestión sostenible de un proyecto es especificar la estrategia de sostenibilidad. De acuerdo con Singh et al., 2007 la 33 gestión debe considerar las partes interesadas para conectar la estrategia con asuntos empresariales, sociales y éticos. 2.2.4 Proceso Industrial. Como la construcción de carreteras es una actividad intensiva en materiales y energía con posibles impactos en el medio ambiente, la industria del pavimento ha estado buscando prácticas de construcción más sostenibles en las últimas décadas. Por otro lado, se pretende utilizar residuos plásticos como modificante de los pavimentos asfálticos, con el fin de dar una solución a un problema país, el cuál radica en la dificultad del manejo de los desechos sólidos, como el plástico y poder emplearlos como un producto con utilidades económicas, sociales y ambientales. Para producir una mezcla asfáltica modificada (piedra + asfalto + plástico), se utilizará el método vía seca, el cual es el proceso mediante el cual el polímero es parte de los agregados. En este proceso, se utiliza el polímero como un agregado en la mezcla asfáltica o como sustituto de una parte del agregado fino (Villegas et al., 2018). Figura 22. Diseño de mezcla asfáltica con plástico de desecho. 34 Para producir mezcla asfáltica en caliente se requieren tres etapas esenciales, los cuales se detallan a continuación en la Figura 23. Figura 23. Etapas para producción de mezcla asfáltica. 1- La primear etapa es el diseño de la mezcla, este se realiza en un laboratorio el cual pudiese ser parte de la empresa o externo a esta. Este proceso es clave pues sin el diseño previo no se puede producir mezcla en planta. Este diseño se realiza tomando en consideración las especificaciones de desempeño deseadas en la mezcla asfáltica, según las características del proyecto a construir y brinda a la planta la formulación específica o receta, con la que se va a producir. 2- La segunda etapa es la producción de mezcla asfáltica en la planta, en la cual se enmarca este proyecto de investigación. Esta etapa, aunque tiene relación con las otras dos, se puede decir desde el punto de vista de proceso que es independiente. Por tanto, para poder producir mezclas asfálticas con residuos plásticos es importante de forma general, considerar los siguientes aspectos claves: a- En general el proceso de producción de la mezcla asfáltica convencional no está diseñado para la incorporación de plástico, esto por sus Diseño de mezcla asfáltica en laboratorio Producción de mezcla asfáltica en planta Control de calidad de la mezcla producida en laboratorio 1 2 3 35 propiedades térmicas. Se debe considerar que en el proceso de producción se pueden dar dos fenómenos, la degradación y la fusión de los plásticos involucrados, por ende, depende del tipo de plástico utilizado, pues estos no pueden entrar directamente al tambor de secado como en el proceso convencional, por lo que hay que hacer los ajustes de ingreso de la materia prima al sistema y la tasa de dosificación en el proceso. b- Los programas para manejo de producción están basados en porcentajes de materiales en base al 100%. Estos materiales son agregado grueso, agregado fino, polvo (filler) y asfalto, sin posibilidad de agregar otro más al sistema productivo, por lo que se necesita incorporar a la formulación o receta un quinto material, como es el plástico, aunque el programa de la planta no lo permita. c- El sistema de incorporación del plástico se debe diseñar y por ende la velocidad de dosificación, de tal forma, que la producción sea homogénea y con la calidad solicitada por diseño y verificada en el control de calidad. d- La volumetría del plástico debe ser considerada para producir, pues depende de la densidad de este, el volumen puede variar considerablemente. 3- La tercera etapa es el control de calidad de la mezcla producida, donde se verifica que cumple con los parámetros de diseño. Esto lo realiza un laboratorio interno, pero en la mayoría de los casos sobre todo cuando el cliente es el estado, se realiza en laboratorios ajenos a la empresa productora. El método el método de producción pavimento asfáltico recuperado (RAP en inglés), es un método para considerar en esta investigación que el material se exponga directamente a la llama en el tambor de secado (Virginia Department of Transportation, 1996), esta técnica de producción se podría ajustar para producir mezcla asfáltica con plástico, pues esto evita la exposición del plástico a llama directa. El sobrecalentamiento por la alta temperatura hace que el plástico se derrita, cambiando su tamaño nominal o en su defecto este se degrade. Una de las alternativas es la planta Ammann de la empresa PAVICEN, la cual se ilustra en la Figura 24, la cual cuenta con esta metodología de producción. 36 Para evitar este problema, es posible que sea necesario sensores adicionales y se puede requerir un sistema de apagado de emergencia que será activado en caso de que el proceso no sea el adecuado (Brock y Richmond, 2007). Figura 24. Planta de producción de mezcla asfáltica Ammann de PAVICEN. Es importante que los gestores del proyecto identifiquen y justifiquen el uso de elementos de sostenibilidad que no influyen en la competitividad del negocio. Hwang y Ng (2013) obtuvieron diez desafíos para el proyecto sostenible en su investigación, que es necesario que todos los involucrados lo tengan en cuenta: - El proyecto toma mayor tiempo en la etapa de planificación. - Es importante por su dificultad, seleccionar subcontratistas que brinden servicios de construcción ecológica. - Existe mucha incertidumbre sobre los equipos y materiales ecológicos, por lo que se debe contar con un estudio exhaustivo. - En muchos de los procesos pudiera haber un alto costo de materiales y equipos ecológicos. - El proceso podría significar un aumento de las reuniones y coordinación requeridas con consultores e ingenieros especialistas. 37 - Son factibles variaciones de diseño más frecuentes, que surgen durante el proceso de producción. - Pueden existir dificultades para incluir especificaciones ecológicas en los detalles del contrato. - Dificultades inesperadas al completar proyectos ecológicos. - Complejidad en la planificación pues eventualmente podría enfrentarse a secuencias no tradicionales de operaciones. - Planificación y utilización de diferentes técnicas de manufactura. 2.2.5 La sostenibilidad en la producción de mezclas asfálticas con plástico de desecho. El uso de material reciclado en carreteras bituminosas no es un nuevo concepto, pues el RAP un material que se recicla comúnmente (Yang et al., 2018). El desempeño ambiental de pavimentos construidos con RAP a menudo se expresa en términos de ahorro de energía y GEI (Gases de Efecto Invernadero) en la etapa de producción debido al reemplazo de material virgen (Yang et al., 2018). Aurangzeb y Col (2014) examinaron la huella ambiental de las mezclas de asfalto con alto contenido RAP, observaron reducciones de energía y GEI de hasta 12,2% con mezclas preparadas con 50% de material RAP reciclado. Otro estudio observó una reducción de hasta el 7,5% en el consumo de energía y una reducción del 13% en los GEI o el potencial de calentamiento global (GWP) (Meli, 2006). Un estudio similar también informó reducciones de hasta 4% en consumo de energía y emisiones de CO2 con la incorporación de 25% de RAP (Huang et al., 2009). La Universidad de Costa Rica diseñó una mezcla asfáltica con plástico triturado, el cual sustituye hasta en un 3% del agregado. Este diseño resultó mejorar propiedades de la mezcla asfáltica como la deformación permanente y la fatiga 38 (Villegas et al., 2018). A partir de este diseño se busca incorporar el plástico en planta con el fin de realizar un proceso industrial de producción implementado, que asegure la calidad del diseño y documentado, para pasar de un diseño de laboratorio a una realidad en la red vial nacional. Por eso el modelo de producción de mezcla asfáltica con plástico a implementar, se basa en la producción de mezcla asfáltica con RAP, el cual es un proceso bastante estudiado. Con el fin de buscar la circularidad en los procesos productivos en Costa Rica, la producción de mezclas asfálticas comprende no solo el tratamiento de los materiales plásticos a incorporar, si no también, un proceso de producción que garantice una mezcla asfáltica con los mejores estándares de calidad. Para esto es importante hacer un recuento del aporte de los diferentes materiales al proceso de producción de mezcla asfáltica con plástico de desecho: a) Los plásticos El plástico es un material de desecho que se empleará en la mezcla asfáltica para reemplazar el agregado virgen. El proceso de producción se diseña para el ingreso de cualquier tipo de plástico dependiendo del diseño de laboratorio, en este proyecto en particular se modificará la mezcla asfáltica con botellas plásticas de desecho. b) El ligante asfáltico El asfalto se agrega en pequeñas cantidades en las mezclas asfálticas, generalmente de 4 a 8% en peso, y sirve como el adhesivo principal que mantiene juntos los agregados (Yang et al., 2018). El asfalto es un subproducto de petróleo que requiere una gran cantidad de energía para producirlo. Aunque es un pequeño componente de la mezcla general por peso, contribuye en gran medida al consumo total de energía y al costo financiero de producir una mezcla asfáltica (Yang et al., 2014). El asfalto como tal considera en su proceso la extracción del crudo, transporte de petróleo, refinación de petróleo, transporte y almacenamiento (Yang et al., 2014). 39 Pero para fines de producción en planta, la única carga ambiental de los asfaltos en el proceso de producción está asociada con el almacenamiento del asfalto en las plantas de producción de mezcla asfáltica, el cual se realiza a temperaturas mayores a 150°C. c) Agregados Constituyen aproximadamente el 95% en peso de mezclas asfálticas, son rocas de diferentes tamaños nominales según el diseño de la mezcla. Los agregados forman una estructura tipo esqueleto en las mezclas asfálticas, por lo que elegir los agregados con graduaciones y propiedades apropiadas es importantes en proceso (Arce et al., 2000) Para obtener estos agregados las rocas son destruidas en las canteras para obtener agregados de diferentes tamaños. En Costa Rica la mayoría de los agregados son extraídos de ríos, por lo que el utilizar plástico de desecho como sustituto de una parte del agregado, genera un excelente aporte ambiental. Las cargas ambientales de los agregados en el proceso de producción están asociadas con el almacenamiento y el secado en las plantas de producción de mezcla asfáltica, este último se realiza a temperaturas mayores a 150°C. d) Producción de mezcla asfáltica Las mezclas asfálticas consisten en agregados graduados por tamaño y asfalto líquido, materias primas que son utilizados en plantas mezcladoras de asfalto. El tipo dominante de planta en los EE. UU. son las plantas de contraflujo, la cual es una planta de mezcla de tambor, un diseño de planta más reciente que mejora el proceso de transferencia de calor dentro del tambor y reduce las emisiones de la planta (USACE, 2000). El funcionamiento de varios componentes de la planta, como los mezcladores, cintas transportadoras y ventiladores requieren el uso de electricidad y las operaciones de cargadores en la planta para transportar el agregado de las existencias a los contenedores consume diesel (Lippert et al., 2014). Sin embargo, en Costa Rica, la mayoría de la energía requerida se gasta en procesos de secado y mezclado de agregados mediante quema principalmente de diesel. 40 El consumo de energía del secado y el mezclado es muy sensible a la temperatura de proceso y al contenido de humedad de los agregados, como se observa en la Figura 25. Figura 25. Límite del sistema del proceso de la unidad de producción de la planta HMA. Fuente: Yang et al. (2018). 2.2.6 Metodología IDOV Seis Sigma Se aplica para nuevos procesos o productos, en los cuales no se dispone de medición alguna. La metodología está impulsada por los requerimientos del cliente, identificando los requisitos y realizando un análisis competitivo para establecer el caso de negocio para el nuevo producto (Patil et al., 2013). IDOV (Identify, Define, Optimize, Validate), probablemente sea esta la metodología que mejor se adapte a los casos de diseño de productos industriales. Tonini et al. (2006) manifiestan que la metodología IDOV contiene las siguientes etapas: Identificación, diseño, optimización (mejora) y validación. Pusporini et al. (2013) explican cada una de las etapas del IDOV: Etapa 1: Identificar Esta etapa está impulsada por la necesidad del cliente, la principal preocupación en esta etapa es cómo identificar y establecer los requisitos del cliente. Las 41 necesidades del cliente serían implementadas en factores críticos para la calidad (CTQ) que deben ser considerados durante el diseño del producto o proceso. Para el desarrollo de productos es importante el marketing, diseño, fabricación, control de calidad y la colaboración de expertos. Por otro lado, es importante la revisión de literatura, datos históricos y la definición del problema principal e identificar el alcance del proyecto. Conforme al medio ambiente se debe definir los requisitos para producir un producto ecológico, por ejemplo, reducción de residuos, reducción del impacto de la contaminación, menos uso de material, menos energía, entre otros. El método de implementación de la función de calidad (QFD) debe ser empleada para identificar los factores ambientales más importantes indicadores con el objetivo de transformar al cliente requisitos ambientales en las características del producto (Pusporini et al., 2014). Etapa 2: Diseño El objetivo principal de esta etapa es analizar y evaluar los requisitos de diseño, los parámetros clave de diseño y su relación con los CTQ (factores críticos para la calidad). Lean Six Sigma indicó que los indicadores clave de rendimiento actuales para el enfoque del proyecto en la mejora de la calidad, costo, tiempo y servicio. Esta investigación incluye la mejora de desempeño ambiental también. El análisis del QFD de la etapa anterior y la discusión con expertos en la industria manufacturera, el equipo de diseño puede identificar los indicadores ambientales más significativos como variables de entrada para el modelo propuesto. Los residuos reprocesados y sólidos se consideran e integran en indicadores de desempeño de calidad para metodología de mejora (Pusporini et al., 2014). Etapa 3: Optimizar Es desarrollar el diseño de productos o procesos que cumpliría con los CTQ y optimizar su desarrollo. 42 Etapa 4: Validar Es verificar el diseño propuesto para asegurar que cumple con el conjunto de requisitos del cliente identificados como CTQ. Los CTQ se desarrollan en esta etapa para identificar los requisitos técnicos y las especificaciones utilizando herramientas como la evaluación comparativa, la implementación funcional de calidad (QFD) y el costeo objetivo. La etapa de diseño enfatiza la implementación de CTQ, identificando los requisitos funcionales y desarrollando y evaluando conceptos alternativos y en última instancia, seleccionando el concepto de que mejor se ajuste a las necesidades del cliente (Patil et al., 2013). . 2.2.7 La Economía Circular Por definición, la economía circular (CE) es restaurador y regenerativo, tiene como objetivo mantener los productos, componentes y materiales en su mayor utilidad y valor en todo momento (BSI, 2017), es decir, apoya la recirculación de materiales y energía dentro de los mismos sistemas de productos o alternativos y, por lo tanto, la eliminación de desechos evitables (Swagemakers et al., 2018). De acuerdo a Mantalovas y Di Mino (2019) CE abarca los principios de múltiples escuelas de pensamiento, como ecología industrial y simbiosis, economía del rendimiento, biomimética, cuna a cuna, economía azul, diseño regenerativo, producción más limpia y natural. Existen muchas definiciones ampliamente aceptadas, pero de las más utilizadas pertenecen a la Fundación Ellen MacArthur (EMF): economía que es restauradora y regenerativa por diseño, y que tiene como objetivo mantener los productos, componentes y materiales en su máxima utilidad y valor en todo momento, distinguiendo entre ciclos técnicos y biológicos (MacArthur, 2013), como se observa en la Figura 26. 43 Figura 26. Modelos de Economía Lineal y Economía Circular. Fuente: Cardozo (2018). Mantalovas y Di Mino (2019) en un estudio realizado aseveraban que se pueden identificar dos tipos diferentes de productos; productos que después de su ciclo de vida pueden ya sea volver al ciclo técnico (duraderos) o al ciclo biológico (consumibles). Esta la definición se basa en tres principios: • Diseñar residuos y contaminación: Esto incluye la detección y exclusión de lo negativo las externalidades de las actividades económicas, que pueden causar daños a la salud humana y los ecosistemas, minimizando la emisión de sustancias tóxicas, gases de efecto invernadero y eliminando agua, aire y contaminación del suelo. • Mantener los productos, componentes y materiales en su valor más alto y en uso: Adaptando el proceso de diseño para apoyar la reutilización, la remanufactura y el reciclaje de componentes y materiales, biológicos o técnicos, para mantenerlos en circulación dentro del mismo u otro sistema de producto. En sistemas circulares, es posible maximizar el uso y el valor de varios componentes 44 que han sido diseñados de tal manera al conectarlos en cascada a diferentes aplicaciones o sistemas de productos. • Regenerar los sistemas naturales: La economía circular es capaz de soportar el flujo de nutrientes o materiales técnicos dentro del mismo sistema, generando condiciones ideales para la regeneración y, por lo tanto, la mejora del capital natural. La economía circular se refiere a una economía industrial que es restaurativa por intención; pretende confiar en las energías renovables; minimiza, rastrea y elimina el uso de productos químicos tóxicos y erradica los desechos a través de un diseño cuidadoso. El término va más allá de mecánica de producción y consumo de bienes y servicios en las áreas que busca para redefinir. El concepto de la economía circular se basa en el estudio de sistemas no lineales, particularmente los vivos (MacArthur, 2013). El modelo lineal convirtió servicio