UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE CONSTRUCCIONES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL TRABAJO DE DIPLOMA TÍTULO: EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES PUZOLÁNICAS DEL MATERIAL DE DESECHO DE LA PRODUCCIÓN DE CERÁMICA ROJA. Diplomante: Carlos Alberto Jiménez Reyes. Tutor: Dr. Ing. Iván Machado López. Profesor Consultante: Ing. Florencio Arcial Carratala. Santa Clara 2016 Pensamiento EL ENEMIGO MAS GRANDE DEL CONOCIMIENTO, NO ES LA IGNORANCIA, ES LA ILUSIÓN DEL MISMO. STEPHEN HAWKING. Dedicatoria A mis padres y mi hermana, pilares de todo lo que soy. A mi familia y amigos, los de aquí y los de allá. A madrina, por formar parte de cada paso que di. A la memoria de mis abuelos. Agradecimientos A mis padres y mi hermana, por el apoyo a través de todos estos años. A mis tíos y mi primo, por estar en momentos decisivos. A mis amigos, por saber convertir cada momento compartido en algo inolvidable. A madrina, por los consejos que siempre me dio. Al Yako, por estar allí cuando fue necesario. A Lizabeth y su familia, en especial a su padre por toda la confianza y el apoyo. A mi tutor Iván, al profesor Yoandy y a Arcial por la guía y el consejo. A Sandy e Ismael, por el apoyo brindado. Al equipo de trabajo de la ENIA, en especial a Irelys por toda su paciencia y dedicación. A todos los profesores que contribuyeron a mi formación profesional y a todas las personas que hicieron posible lograr esta meta. A todos, ¡Gracias!! Resumen La presente investigación se centra fundamentalmente en la evaluación del índice de actividad puzolánica (IAP) de material de desecho de la industria de cerámica roja (DC), en este caso ladrillos procedentes de la producción artesanal en la región de Vueltas y rasillas procedentes igualmente de la producción local en la región de Santa Clara, ambas en Villa Clara. En el trabajo se investigan las condiciones de fabricación y obtención de ambos materiales cerámicos, especificando la capacidad de producción y otros parámetros de los hornos, obteniéndose las curvas del tratamiento térmico (Temperatura vs. Tiempo) y con ello la máxima temperatura a la que es sometido el material arcilloso para su modificación y transformación. Se realiza una somera descripción de las características físicas y geológicas de las arcillas primarias de las que proceden los desechos cerámicos investigados, se exponen los resultados de la resistencia a compresión de morteros en los que el cemento Portland se sustituye por el 30 % de DC, al relacionarlo con las condiciones de obtención de los desechos cerámicos, el IAP obtenido en los DC locales (0,86) resulta comparable con el IAP de desechos cerámicos reportados en la bibliografía consultada. Palabras clave: arcillas, actividad puzolánica, desechos cerámicos. Abstract This research focuses primarily on the evaluation index pozzolanic activity (IAP) of waste material industry red ceramic (DC), in this brick case from craft production in the region of Vueltas and hollow terracotta from equally local production in the region of Santa Clara, both in Villa Clara. Work in the conditions of manufacture and production of ceramic materials investigated, specifying the production capacity and other parameters of the furnaces, obtaining curves heat treatment (temperature vs. time) and thus the maximum temperature at which is the clayey material submitted for modification and transformation. A brief description of the physical and geological characteristics of the primary of which are from ceramic wastes investigated clays is performed, the results of the compressive strength of mortars in which the Portland cement is replaced by the 30% of DC are exposed, to relate the conditions for obtaining ceramic waste, IAP obtained in the local DC (0.86) is comparable with the IAP ceramic waste reported in the literature. Keywords: clays, pozzolanic activity, ceramic waste. Índice Introducción ............................................................................................................................................. 1 Capítulo 1: Activación térmica de arcillas para su uso como material cementicio suplementario. Estado del Arte. ....................................................................................................................................... 7 1. El Cemento Portland (CPO). Generalidades. ...................................................................................... 7 1.1. Los Materiales Cementicios Suplementarios (MCS). ....................................................................... 8 1.1.2. Puzolanas. ..................................................................................................................................... 9 1.1.3. Cemento de bajo carbono ........................................................................................................... 10 1.2 Las Arcillas. ...................................................................................................................................... 11 1.2.1. Estructura y composición de las arcillas. .................................................................................... 12 1.2.2. Depósitos de arcilla en el mundo. .............................................................................................. 13 1.2.2.1. Origen geológico y otras características de los principales yacimientos reportados en Cuba y de los que son objeto de estudio en el presente trabajo. ................................................................... 15 1.2.3. Las arcillas como fuente de materia prima para la producción de cerámica. ........................... 15 1.2.3.1. Producción de ladrillos y otras cerámicas rojas. Características térmicas de los procesos tecnológicos. .......................................................................................................................................... 16 1.3. Activación térmica de las arcillas, reactividad puzolánica de las arcillas y los desechos de la cerámica roja. ........................................................................................................................................ 18 1.3.1. Bases teóricas para el uso como puzolanas de las arcillas activadas térmicamente (AAT). .... 19 1.3.2. El sistema ternario CP – AAT- Caliza. Reacciones puzolánicas, fundamento de la producción industrial y local del LC3. ....................................................................................................................... 20 1.3.3. Relación entre el tratamiento térmico, las características físico – mineralógicas de la arcilla y la reactividad puzolánica. ...................................................................................................................... 21 1.4. Métodos para la determinación de la reactividad puzolánica. .................................................... 22 1.4.1. Resistencia a la compresión e índice de reactividad puzolánica. .............................................. 23 1.4.2. Método R3. .................................................................................................................................. 23 Capítulo 2: Estudio experimental de la activación térmica de arcillas a partir de la producción local de cerámica roja. ................................................................................................................................... 27 2.1. Generalidades ................................................................................................................................. 27 2.2. Diseño experimental. ..................................................................................................................... 27 2.3. Selección de los materiales arcillosos en estudio. ........................................................................ 28 2.3.1. Características geográficas de las zonas ..................................................................................... 29 2.4. Descripción geológica de las arcillas .............................................................................................. 30 2.4.1 Composición química y mineralógica de los yacimientos ........................................................... 33 2.4.2 Análisis físico-mecánico a las arcillas de los yacimientos. .......................................................... 34 2.4.2.1 Yacimiento El Santo – Sagua La Chica ....................................................................................... 34 2.4.2.2 Yacimiento La Moza – Carranchola........................................................................................... 35 2.4.3. Activación térmica de las arcillas para evaluar las propiedades puzolánicas. .......................... 37 2.5. Caracterización del material de desecho de cerámica roja y las materias primas utilizadas. ..... 37 2.5.1 Características de los elementos de la producción artesanal de cerámica roja. ....................... 38 2.5.2: Análisis granulométrico a los polvos del material de desecho de cerámica roja. .................... 40 2.5.3 Propiedades del cemento P-35 según la (N.C 2001)................................................................... 40 2.5.4 Propiedades de la arena sílice normalizada según la (N.C 1987.) .............................................. 41 2.6. Características de los hornos artesanales utilizados en la producción de elementos de cerámica roja. ........................................................................................................................................................ 41 2.6.1. Horno artesanal de Santa Clara. ................................................................................................. 42 2.6.2. Horno artesanal de Vueltas: ....................................................................................................... 44 2.6.3 Comparación de las temperaturas de ambos hornos. ................................................................ 45 2.6.4. Proceso tecnológico de fabricación del material de desecho de cerámica roja. ...................... 45 2.7. Proceso de fabricación de los morteros ........................................................................................ 47 2.8. Ensayos mecánicos a probetas de morteros ................................................................................. 48 2.8.1. Resistencia a flexión y compresión. ............................................................................................ 48 Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados de la evaluación de la reactividad puzolánica de los materiales cerámicos obtenidos en diferentes condiciones y fuentes. ......................................... 50 3.0 Introducción ..................................................................................................................................... 50 3.1. Análisis de resultados de la resistencia mecánica de los morteros e índice de actividad puzolánica. ............................................................................................................................................. 50 3.2 Análisis de la actividad de las arcillas (AAT). Relación con la temperatura de calcinación y propiedades de la arcilla. ...................................................................................................................... 54 3.3 Análisis de la reactividad puzolánica de los DC. Relación con la tecnología de obtención y las propiedades de sus arcillas originarias. ................................................................................................ 55 3.4. Comparación del IAP de los DC (propios y referenciados). ........................................................... 56 3.5 Análisis estadístico de los resultados. ............................................................................................ 57 3.6 Conclusiones parciales .................................................................................................................... 58 Conclusiones .......................................................................................................................................... 60 Recomendaciones .................................................................................................................................. 61 Bibliografía ............................................................................................................................................. 62 Anexos .................................................................................................................................................... 66 1 Introducción El proceso de fabricación de algunos materiales utilizados en la construcción contribuye al aumento de gases de efecto invernadero como CO2 en la atmósfera. El cemento se mantendrá como un material necesario para satisfacer las necesidades de vivienda global con infraestructura moderna(Tironi 2013). El cemento Portland es un material que se fabrica aproximadamente en 150 países, principalmente en Asia, Europa, y el Medio Oriente. Su volumen de producción para el 2020 aumentará entre el 120-180%(Rodríguez 2014), sin embargo, su producción está asociada a un alto consumo energético, principalmente en la forma de combustibles fósiles, y a grandes volúmenes de emisiones de CO2, factores que influyen negativamente en sus costos y sostenibilidad ambiental. Entre las mejores soluciones a este problema se encuentra el empleo de materiales puzolánicos como sustitutos parciales del CPO, lo cual favorece la disminución en el consumo energético y en las emisiones de gases de efecto invernadero por volumen del aglomerante, al mismo tiempo que permite el mantenimiento o incremento de la resistencia mecánica y de la durabilidad frente a un determinado número de agentes ambientales, con lo cual se obtienen notables beneficios desde el punto de vista ingenieril, económico y ecológico. Existe una amplia variedad de materiales que pueden ser empleados como puzolanas. Algunos se encuentran ya en explotación como es el caso de las cenizas volantes, las escorias siderúrgicas o el humo de sílice(Quintana 2010). Se realizan consideraciones técnico económicas que demuestran, frente a los productos actualmente comercializados procedentes de la activación térmica de arcillas caoliníticas de alta pureza, que es factible producir alternativamente un producto de adecuada reactividad puzolánica procedente de arcillas con características tales que no son muy atractivas para la industria del papel y otras altas consumidoras de arcillas caoliníticas de alta pureza y concentración.(López 2011). La utilización industrial, por síntesis directa, de los silicatos cálcicos hidratados, es casi tan reciente como el conocimiento de su naturaleza y propiedades(J. 1998). Investigaciones recientes reportan estudios sobre la obtención de un tipo de aglomerante a partir de la utilización de materias primas cubanas, incluyendo el aprovechamiento de las potencialidades que ofrecen los yacimientos de arcillas caoliníticas de bajo grado existentes en el país como fuente de puzolanas reactivas(Pérez 2014). 2 Desde el año 2013 se están estudiando novedosos materiales cementicios suplementarios en la formulación de morteros de albañilería para el establecimiento de nuevos criterios de compatibilidad del sistema mortero de reparación-sustrato(González 2015). Esta concepción ha sido parte esencial del trabajo que durante varios años ha desarrollado el Centro de Investigaciones y Desarrollo de Estructuras y Materiales (CIDEM) de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas donde se han obtenido interesantes resultados al desarrollar un producto consistente en un tipo de cemento mezclado a partir de la combinación de clínquer, caliza y arcilla calcinada (cemento de bajo carbono). El cemento de bajo carbono (LC3) es un tipo de cemento ternario producido industrialmente en la planta de cemento Siguaney en Sancti Spíritus y los resultados experimentales han demostrado sus ventajas y bondades desde el punto de vista económico y ecológico, contando en la actualidad con aplicaciones prácticas en Cuba(Contreras 2015). El estudio enfoca la activación de arcillas caoliníticas de baja pureza para producir puzolanas de alta reactividad. Con este fin se propuso un sistema cementicio novedoso, donde los componentes se mezclan para conformar un cemento ternario, con materias primas nacionales(Ibarra 2014). Si se analizan las emisiones generadas durante la elaboración del clínquer en el horno de cemento Portland, aproximadamente el 50% del CO2 proviene de la combustión del combustible utilizado, y el 50% restante de la descarbonatación de la caliza. Entre los materiales utilizados como puzolanas, se encuentran las arcillas activadas térmicamente, el rango de temperaturas para su activación (550 °C a 900 °C) es inferior a la temperatura de clinquerización (1450 °C), lo que implica un menor consumo de energía con la consecuente disminución en la emisión de CO2. Además, uno de los productos de reacción en la activación de las arcillas es H2O y no CO2 como en el caso del clínquer. Las arcillas calcinadas se comportan como puzolanas si, en presencia de agua, reaccionan con el hidróxido de calcio procedente de la hidratación del cemento Portland (CP) a temperatura ambiente, dando lugar a compuestos insolubles y estables que actúan como conglomerantes hidráulicos(Tironi 2013). La mayor parte de los estudios publicados sobre el empleo de arcillas calcinadas como materiales puzolánicos parten del uso de minerales arcillosos de alta pureza, principalmente caolines. Sin embargo, las arcillas se presentan muchas veces en la naturaleza como depósitos donde se combinan varios tipos de minerales arcillosos con diversos minerales acompañantes y no como fases arcillosas puras, factores que pueden afectar su potencial uso como materiales puzolánicos(Quintana 2010). 3 Lo planteado anteriormente da lugar a nuestra Situación Problemática que se identifica como la necesidad de producir un cemento de bajo carbono de forma artesanal, que pueda ser utilizado para la fabricación de morteros y elementos de hormigón de pequeño formato a partir de determinar la reactividad de desechos de cerámica roja y su relación con su proceso de obtención, de ahí entonces es que se plantea lo siguiente: Situación problemática: La fabricación de Cemento Portland constituye uno de los procesos industriales más contaminantes a escala global, por ello urge buscar soluciones a partir de nuevos materiales que mantengan las propiedades físico-mecánicas del mismo y que a su vez disminuyan los costos de producción y los niveles de contaminación, en este sentido la producción local de materiales de construcción cuenta en muchos casos con limitadas posibilidades en cuanto a materiales aglomerantes, de ahí que resulte recomendable la búsqueda de soluciones que permitan multiplicar a escala local los volúmenes de materiales aglomerantes sobra la base del Cemento Portland. En ese sentido los materiales cementicios suplementarios (MCS) se presenten como una adecuada alternativa, específicamente las arcillas activadas térmicamente procedentes de yacimientos con diversa composición químico – mineralógica y probable bajo contenido equivalente de caolín de uso común en la fabricación local de elementos de cerámica en Cuba, de igual modo los desechos de la industria cerámica se convierten en un problema ambiental con posible solución al ser reutilizados como puzolanas en la producción local de aglomerante de características similares al LC3. Problema Científico: ¿Qué relación se establece entre las propiedades iniciales del material arcilloso, el proceso tecnológico de producción de elementos cerámicos y las propiedades puzolánicas que adquiere este material? Hipótesis de investigación: Si la arcilla con la que se obtienen productos de cerámica roja (ladrillos, rasillas, etc.) en talleres de producción no industrial procede de yacimientos con adecuadas características 4 físico, químicas y mineralógicas, entonces a través del tratamiento térmico de este material en los hornos artesanales es posible la obtención de material con reactividad puzolánica para obtener cemento LC3 según su formulación para talleres locales. Objetivo General: Evaluar la activación térmica del material de desecho de la producción de cerámica roja (ladrillos y rasillas) para su utilización como puzolanas a partir de arcillas de diversa composición químico – mineralógica con bajo contenido de caolín. Objetivos específicos:  Evaluar el proceso de obtención de materiales cerámicos a escala de producción artesanal, esclareciendo el régimen térmico a que es sometida la arcilla en cada caso.  Modelar el proceso de activación térmica de arcillas a nivel de laboratorio sobre la base del proceso artesanal de producción de ladrillos y rasillas. (Temp = 8500 C) (t residencia= 60 min).  Precisar el índice de reactividad puzolánica para diferentes fuentes de material arcilloso sometido a activación térmica. Tareas científicas:  Determinar según los planos geológicos de Cuba y de la región central (Villa Clara) la existencia de arcillas y sus características, incluyendo pequeños yacimientos de interés para la producción local.  Determinar las características mineralógicas de las arcillas usualmente empleadas por la producción local en Villa Clara.  Determinar otras características de las arcillas usualmente empleadas por la producción local en Villa Clara.  Establecer las características de los hornos de producción local de materiales cerámicos en la región central (Dimensiones, producción, modelación del tratamiento térmico).  Determinar algunas características a nivel macro estructural de los productos cerámicos que se obtienen a partir de las arcillas originarias investigadas. 5  Determinar el índice de puzolanicidad (IAP) de los desechos procedentes de la producción local de materiales cerámicos.  Modelación en laboratorio del tratamiento térmico a que es sometida la arcilla para la obtención de ladrillos y rasillas.  Determinar el índice de puzolanicidad de las arcillas activadas térmicamente.  Comparar los resultados obtenidos. Novedad Científica Se demuestra que existe relación directa entre las propiedades iniciales de la arcilla, el régimen térmico a que es sometido el material arcilloso durante la obtención del material cerámico y el índice de actividad puzolánica (IAP) o reactividad que adquiere el polvo de cerámica, al tener en cuenta el bajo contenido de material caolinítico presente en las arcillas originarias. Estructura de la tesis: Capítulo 1: Activación térmica de arcillas para su uso como material cementicio suplementario. Estado del Arte. Se presenta una revisión bibliográfica sobre el cemento Portland y la necesidad de la implementación de cementos ternarios con altos niveles de sustitución de clínquer con el uso de materiales cementicios suplementarios, destacando en este sentido el uso de las arcillas activadas térmicamente, el empleo de arcillas no caoliníticas puras y el empleo de los desechos de cerámica roja como potencial material reactivo. Capítulo 2: Estudio experimental de la activación térmica de arcillas a partir de la producción local de cerámica roja. Se presenta el diseño de la investigación. Se exponen las características de los materiales arcillosos que se utilizan para lafabricación de los elementos cerámicos (ladrillos y rasillas) a pequeña escala, se realiza la descripción de la tecnología artesanal empleada, determinando el régimen térmico a que es sometida la arcilla, se determinan experimentalmente las propiedades del material cerámico que se obtiene así como el índice de reactividad puzolánica de los polvos de cerámica, mediante la medición de la resistencia a compresión de prismas de morteros fabricados según las normativas vigentes. 6 Capítulo 3: Análisis y discusión de los resultados de la evaluación de la reactividad puzolánica de los materiales cerámicos obtenidos en diferentes condiciones y fuentes. Se expone el análisis de los resultados arrojados por los ensayos realizados con anterioridad en el capítulo II. Posteriormente se brindan las conclusiones y recomendaciones del trabajo. 7 Capítulo 1: Activación térmica de arcillas para su uso como material cementicio suplementario. Estado del Arte. 1. El Cemento Portland (CPO). Generalidades. El hormigón es el segundo material más usado por el hombre, después del agua. Se estima que por cada habitante del planeta se producen como promedio 3 toneladas de hormigón cada año. Debido a su relativo bajo costo de producción y versatilidad, no se visualiza en el futuro cercano el remplazo del concreto por ningún otro material(Andrés 2014). Su proceso de elaboración, al igual que otros productos manufacturados por el hombre traen consigo una huella ecológica y por ende responsable de emisiones de CO2 a la atmósfera. En el caso particular de la optimización del cemento, el criterio está asociado al empleo de subproductos industriales y uso de adiciones tanto al cemento como al hormigón, empleando materias primas que minimicen las emisiones de CO2 o que se obtengan mediante procesos que consuman menos energía. El reto es diseñar proyectos en armonía con la naturaleza, utilizando el concepto de desarrollo sostenible. Esto implica el uso de materiales de alto rendimiento, respetuosos con el medio ambiente y producidos a un costo razonable (Pastor 2015). En específico la industria del cemento ha sufrido transformaciones radicales en sus más de 100 años de historia. La diseminación de grandes plantas industriales productoras de cemento se produjo a finales del siglo XIX, la primera planta de América fue montada en Coplay, EEUU en 1871. En 1887 Henri Le Chatelier hizo un importante aporte a la mineralogía del cemento, al nombrar los principales minerales que se forman en su reacción de hidratación: Alita (silicato tri-cálcico), Belita (silicato bi-cálcico) y Celita (Alumino-ferrato tetra-cálcico). Por primera vez se describe la reacción de hidratación como un proceso de formación de productos cristalinos, resultante de la reacción entre el cemento y el agua. Finalmente, en 1917 se funda la American Society for Testing Materials (ASTM), que estableció una fórmula estándar para el cemento Pórtland(Hernández 2003). Ante las preocupaciones existentes con respecto al cambio climático, diversos países y corporaciones reconocen la necesidad de implementar políticas que contribuyan a mitigar el impacto ambiental y crear un modelo sostenible para la producción de cemento. Existe una estrategia común, sustentada en cuatro líneas de trabajo fundamentales: 8 (i)la mejora en la eficiencia de los procesos, (ii) el uso de fuentes alternativas de combustibles, (iii) la captura y almacenaje de CO2 y (iv) la reducción del factor de clínquer mediante el empleo de materiales cementicios suplementarios. En este sentido, las acciones a tomar para la reducción de las emisiones causadas por la industria del cemento deben ser consideradas desde un enfoque regional, atendiendo a las características geopolíticas y tecnológicas de cada país, organización o fábrica(Andrés 2014). Figura 1.1: Diagrama esquemático que muestra las variaciones en los contenidos típicos de fases, durante la formación de clínquer de CP. Fuente: (Pastor 2015). 1.1. Los Materiales Cementicios Suplementarios (MCS). Los materiales cementicios suplementarios (MCS) son una alternativa a la disminución en el consumo energético y en las emisiones de gases de efecto invernadero por volumen del aglomerante, obteniéndose además ventajas desde puntos de vista ingenieril, económico y ecológico. En general, estas materias primas cerámicas se presentan originariamente en la naturaleza formando acumulaciones minerales o rocosas, a partir de las cuales se extraen los materiales útiles para la fabricación cerámica, bien en su estado natural o bien sometiendo los materiales brutos a un proceso de lavado y enriquecimiento en su contenido mineral(Monzons.). 9 Tabla 1.1 Beneficio por cada 10% de sustitución por MCS Fuente: (Pastor 2015). 1.1.2. Puzolanas. Dentro del amplio grupo de los MCS se encuentran las puzolanas, según la normativa establecida por ASTM-C 608-92a se definen las puzolanas como materiales silíceos o aluminosos, los cuales por sí mismos poseen poco o ningún valor cementante, pero en forma finamente dividida y en presencia de humedad, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a temperaturas ordinarias para formar compuestos que poseen propiedades cementicias. De modo más amplio puede agregarse, que los productos formados son silicatos y aluminoosilicatos hidratados, similares a los resultantes del fraguado del cemento Portland(Pérez 2014). Los referentes internacionales permiten identificar que el empleo de materiales con propiedades puzolánicas preceden al uso del cemento, siendo los romanos precursores al utilizar un material derivado de la molienda de ladrillos de arcilla y ceniza volcánica “pulvisputeolanus”(Jacobo Martínez-Reyes 2007). Las puzolanas naturales pueden ser provenientes de rocas volcánicas, en las que el constituyente amorfo es vidrio producido por enfriamiento brusco de lava como las cenizas volcánicas, las tobas, la escoria y la obsidiana. Además existen rocas o suelos en las que el constituyente silíceo contiene ópalo, ya sea por la precipitación de la sílice de una solución o de los residuos de organismos de lo cual son ejemplos las tierras de diatomeas, o las arcillas calcinadas por vía natural a partir de calor o de un flujo de lava. Las puzolanas artificiales provienen de las cenizas que se producen en la combustión del carbón mineral (lignito), fundamentalmente en las plantas térmicas de generación de electricidad. Las arcillas calcinadas o activadas artificialmente como los residuos de quema de ladrillos u otros tipos de arcillas que hayan estado expuestas a temperaturas superiores a los 800 °C. Escorias de fundición de aleaciones ferrosas en altos hornos debiendo ser violentamente enfriadas para lograr que adquieran una estructura amorfa. 10 Las cenizas de residuos agrícolas se presentan como otro tipo de puzolana artificial. Entre estas se encuentran la ceniza de cascarilla de arroz, ceniza del bagazo y la paja de la caña de azúcar. Cuando son quemados convenientemente, se obtiene un residuo mineral rico en sílice y alúmina, cuya estructura depende de la temperatura de combustión. 1.1.3. Cemento de bajo carbono El cemento de bajo carbono (CBC) es una nueva tecnología surgida en el Centro de Investigación y Desarrollo de las Estructuras y los Materiales de Construcción, que tiene la tarea de hacer frente a la creciente demanda de los recursos y al mismo tiempo, reducir el impacto ambiental, utilizando la infraestructura industrial existente, es utilizado como componente de los morteros y hormigones. Este nuevo aglomerante es un cemento ternario, con un considerable potencial de ahorro de CO2 (hasta 50%), al mismo tiempo que muestra propiedades similares al cemento Portland. Esto se logra mediante la sustitución de parte del clínquer por una combinación sinérgica de arcilla calcinada y piedra caliza; esta calcinación ocurre a temperaturas más bajas que la requerida para la obtención del clínquer lo que conlleva a ahorros de combustible. La novedad y el potencial de CBC residen en el efecto sinérgico de arcillas calcinadas y piedra caliza en términos de resistencia a las proporciones de mezclas específicas(Rodríguez 2014). Los beneficios y diferencias del nuevo sistema cementicio son importantes y seguirán contando a medida que prosperen las investigaciones que se realizan en este sentido, sin embargo el mismo muestra algunas limitaciones ya estudiadas se destaca el no empleo de este en hormigones estructurales, pues se demostró que con un aumento de la sustitución del clínquer de más del 45% comienza a decaer el pH del material dando lugar a procesos de carbonatación y futuras corrosiones del acero de refuerzo(Ibarra 2014). En aras de evaluar la influencia de arcillas activadas térmicamente como material puzolánico en la sustitución parcial del CPO, se crea el cemento LC3 como nueva tecnología desarrollada por un grupo de investigadores del Centro de Investigación y Desarrollo de las Estructuras y Materiales de Construcción (CIDEM), en la provincia de Villa Clara, desde el año 2009. Se caracteriza por ser un cemento ternario (CPO-arcillas calcinadas-carbonato de calcio) con un considerable potencial de ahorro de CO2 (hasta 50%). Es una nueva tecnología que tiene la tarea de hacer frente a la creciente demanda de recursos y al mismo tiempo, reducir el impacto ambiental(González 2015). 11 1.2 Las Arcillas. Arcilla es una asociación de silicatos complejos hidratados de aluminio de fino tamaño que, húmeda, es plástica y seca, dura y quebradiza. Está abundantemente distribuida en la naturaleza y es constituyente de la corteza terrestre. Sus propiedades, que dependen de su mineralogía, estado físico e historia geológica pueden modificarse con relativa facilidad y sus amplios usos, son función de sus propias características y de las que resultan al asociarse con otras sustancias. En cualquier caso, el resultado es una tecnología compleja, especializada, de escasas especificaciones, en que la importancia geológica o la aceptación industrial es decidida por un criterio complejo individual de cada caso, por comparación con otro mineral o, como ocurre generalmente porque trabaja en su aplicación final(Liberto de Pablo 1964). Según Seger, pueden distinguirse cuatro grupos de materias primas arcillosas, sobre la base de la composición química y el uso industrial: A. Arcillas con alto contenido de alúmina y casi exentas de hierro, con una proporción excepcionalmente elevada en caolinita. Se usan en la industria cerámica, particularmente en cerámica fina, como la fabricación de porcelanas, de sanitario y de cerámica técnica, por ejemplo, azulejos ligeramente coloreados, aisladores eléctricos, cacetas, soleras en la producción de vidrio, crisoles para fusión, productos refractarios y antiácidos, etc. B. Arcillas con mucha alúmina y poco hierro, todavía ricas en caolinita, utilizables en la industria cerámica semivaliosa, en la elaboración de chamota, artículos porosos y gres. C. Arcillas con bajo contenido en Al2O3 y una elevada proporción de compuestos de hierro. Se usan para azulejos de color oscuro y platos, en producción de ladrillos, alfarería que cuece en rojo y para aisladores. D. Arcillas pobres en Al2O3 y una gran proporción de compuestos de hierro y carbonato cálcico. Este grupo comprende la mayor parte de arcillas ladrilleras ordinarias, arcillas limoníticas margosas y margas, de uso en la industria pesada de la arcilla(Monzons.). 12 1.2.1. Estructura y composición de las arcillas. Las arcillas (silicoaluminatos hidratados), en cuya estructura química participan principalmente Silicio (Si), Aluminio (Al), Oxígeno (O) e Hidrógeno (H), pertenecen a la familia de los filosilicatos, cuya unidad estructural básica es el tetraedro compuesto por Silicio y Oxígeno; dichos tetraedros se unen compartiendo tres de sus cuatro oxígenos con otros vecinos formando capas llamadas tetraédricas que constituyen la red fundamental de los filosilicatos. Aunque la caolinita se encuentra dentro del grupo de las arcillas, desde el punto de vista de su estructura, tiene diferencias, ya que, en vez de tener dos filas de tetraedros y una de octaedros, ella tiene una sola fila de tetraedros de sílice y una octaédrica de óxido de aluminio, de allí el elevado contenido de este óxido(Pinto 2011). De acuerdo con la manera en que en 2 ó 3 capas de los filosilicatos que conforman su estructura interna se agrupan y mantienen enlazados, las arcillas son divididas en dos grupos principales según se muestra en la Tabla 1.2.1(Andrés 2014). . Tabla 1.2. (Arriba) Clasificación de los minerales arcillosos más comunes. (Debajo) Clasificación detallada en función de las capas de filosilicatos Fuente: (Andrés 2014), (Barrios) Grupo Distribución de los filosilicatos principales minerales arcillosos que integran el grupo 1:1 Sílice-alúmina Caolinita 2:1 Sílice-alúmina-sílice Montmorillonita, Illita 13 Sucesivas capas de arcillas son conectadas entre sí según el vínculo generado por el balance de carga y la estructura interna de cada mineral arcilloso. En el caso de la caolinita, enlaces de hidrógeno o fuerzas del tipo Van der Waals son lo suficientemente fuertes para que no se produzca hinchazón en presencia de agua. En las illitas el enlace es muy fuerte por medio de cationes K+ y las montmorillonitas, que pertenecen al mismo grupo de las illitas, se diferencian de estas por estar vinculadas por enlaces débiles a través de diferentes cationes como Na+ y Ca+, que determinan la adsorción de agua en el espacio interlaminar(Andrés 2014). Figura 1.2 Estructura de la caolinita. (a) Vista de la capa tetraédrica. (b) Vista de corte. Fuente: (Tironi 2013) 1.2.2. Depósitos de arcilla en el mundo. El mercado mundial de arcillas caoliníticas posee tres áreas de producción de gran importancia: los caolines sedimentarios de Georgia y Carolina del Sur en los Estados Unidos; los caolines primarios en Cornwall, zona del suroeste de Inglaterra; los caolines sedimentarios en el bajo Amazonas, Brasil. Estas arcillas caoliníticas son de alta calidad (elevado contenido de Caolinita y características físicas adecuadas) por lo que se las puede utilizar en la industria del papel. Otros depósitos de arcillas caoliníticas de importancia regional se encuentran en Australia, Argentina, República Checa, China, Francia, Alemania, Indonesia, Irán, México, Corea del Sur, España, Turquía y Ucrania. Las propiedades de este 14 mineral han permitido su utilización en la industria del papel, materiales refractarios, cerámica, fibra de vidrio, cemento, caucho y plásticos, pinturas, catalizadores(Tironi 2013). Los principales yacimientos en Estados Unidos se hallan en Tennessee y Kentucky; en Panola County, Mississipi; en el distrito nordeste del Condado Cherokee, Texas, y en el de Stanislaus, Cahfornia. Su entorno sedimentario es muy parecido al de las ballclays europeas, siendo éstas de mayor finura. Importantes yacimientos de ballclays se hallan en Devon y Dorset, en el sur-oeste de Inglaterra. Similares arcillas caoliníticas se presentan en LoughNeagh, Irlanda del Norte y en la cuenca de Hampshire. En la cuenca del Don existe un gran filón de arcilla, cuyas características son comparables con las de las ballclays inglesas. Su contenido en alúmina es del 31-32 % y de óxidos de hierro, de un 1 %. En los Urales las arcillas caoliníticas están confinadas a la ladera este de la sierra. En Alemania los yacimientos más importantes de arcillas caoliníticas y otras se explotan en las cuencas del Rin, entre Colonia y Koblenza, en Westerwald Highland. En Rheinland los yacimientos más valiosos y más extensos se hallan en el área de Kannebäckerland. En la cuenca superior del Rin, en el área de Rheinland-Pfalz, los yacimientos más grandes están en Hettenleidelheim y Eisenberg(Monzons.) Tabla1.3 Distribución mundial de la aplicación de arcillas caoliníticas. Fuente: (Tironi 2013) 15 Tabla 1.4: Distribución mundial de la producción anual de arcillas caoliníticas. Fuente: (Tironi 2013) 1.2.2.1. Origen geológico y otras características de los principales yacimientos reportados en Cuba y de los que son objeto de estudio en el presente trabajo. En Cuba se localizan varios depósitos de arcillas caoliníticas con diferentes grado de pureza. La mayor cantidad de los que contienen caolín se encuentran en el occidente del país, particularmente en la Isla de la Juventud y Pinar del Río; se ubican también depósitos con diferentes grados de interés en Villa Clara, Ciego de Ávila, Sancti Spíritus y más al oriente, Camagüey, Las Tunas, Holguín y Santiago de Cuba. En el resto del territorio nacional, según la Oficina Nacional de Recursos Minerales, aparecen además puntos y manifestaciones de forma diseminada(Lisandra Poll Legrá; Roger S 2016) 1.2.3. Las arcillas como fuente de materia prima para la producción de cerámica. Las arcillas constituyen la principal materia prima para la fabricación de cerámicos de construcción. Éstas aparecen en todo tipo de formación rocosa, desde la más antigua a la más reciente, y en formaciones ígneas y sedimentarias, como consecuencia de ello, sus características físicas, químicas y mineralógicas varían ampliamente, incluso entre las capas de un mismo depósito arcilloso. Por tanto, en cualquier industria cerámica el control de la calidad de los productos empieza por la caracterización y control de la calidad de sus arcillas(Tuta 2009). En la industria cerámica interesan los feldespatos alcalinos como la ortoclasa, la microclina y la albita. Los feldespatos cálcicos (anortita y otros) no se emplean mucho en cerámica. Los feldespatos se usan, ampliamente, en la fabricación de porcelana, lozas, esmaltes, 16 porcelanato, etc. La presencia de álcalis hace que su punto de fusión sea mucho más bajo que el del cuarzo y alúmina, de hecho cumple con la función de fundente dentro de la mezcla(Pinto 2011). Las arcillas empleadas en la industria cerámica son rocas constituidas por una mezcla de minerales, entre los que destacan el cuarzo y minerales arcillosos como los filosilicatos, que agrupan a las illitas, montmorillonitas y caolinitas. Las principales características de las arcillas están en relación con su composición mineralógica y su granulometría. Desde el punto de vista granulométrico, si bien el término arcilla se refiere a partículas de tamaño inferior a 2 μm, la materia prima empleada en la fabricación de productos cerámicos que se designa con ese nombre suele tener distribuciones granulométricas más gruesas. Así, en la fabricación de ladrillos y tejas, las arcillas suelen tener una granulometría centrada mayoritariamente alrededor de las 63 μm (es decir, se trata más bien de la fracción limo) y presentan un contenido mayor de cuarzo, cuyas dimensiones pueden ser también de tamaño arcilla(Autores). 1.2.3.1. Producción de ladrillos y otras cerámicas rojas. Características térmicas de los procesos tecnológicos. En la producción industrial, como resultado de las relativamente bajas temperaturas de cocción y de las modernas tecnologías utilizadas, el consumo varía entre 0,8 y 2,1 MJ/kg de producto obtenido, mientras que en los demás sectores de la cerámica de construcción y fina, el consumo medio es notablemente mayor, pudiendo elevarse hasta 8 MJ/kg(Duménigo 2012). Tabla 1.5: Temperatura que soportan los minerales refractarios. Fuente: (Amaro). La transformación del material seco en uno totalmente estable deviene a través de diversas modificaciones físicas y químicas que sufren los componentes minerales por efecto de la temperatura(Bianucci 2009). 17 Durante la cocción, los fundentes se derriten y forman una masa vítrea que aglutina el resto de los ingredientes; la temperatura de vitrificación desciende a medida que aumenta la cantidad de fundentes. La arcilla destinada a la producción de ladrillos cortados con alambre se desmenuza con rodillos y a continuación se le incorpora agua en una mezcladora, se amasa de nuevo y se carga en una amasadora y extrusora horizontal. A continuación, la arcilla plástica extruida se corta a la medida con un cortador de alambres. Se obtiene material plástico semi-seco y rígido por laminación, tamizado y prensado mecánico. Algunos ladrillos siguen moldeándose a mano(Hohman). Figura 1.3: Proceso de fabricación de productos de cerámica roja. Fuente: (Hohman). La fabricación de baldosas de revestimiento por el método denominado de bicocción tradicional, con tiempos de primera cocción (del soporte) entre 48 y 72 horas y de segunda cocción (del recubrimiento vidriado) entre 8 y 12 horas fue siendo desplazada progresivamente por el método de bicocción rápida, con una primera cocción (del soporte) hasta 50 minutos y una segunda cocción (recubrimiento vidriado) a 30 minutos(Autores). Los cambios de la composición mineralógica de las arcillas ocurren generalmente de acuerdo con los intervalos de temperatura que aparecen a continuación(Duménigo 2012). 18 1. De 0-400°C: Eliminación de residuos de agua, combustión de la materia. El material se dilata hasta los 100°C y luego, a 250°C sufre una retracción, para volver a dilatarse después. No se producen cambios químicos ni estructurales. 2. De 400-600°C: Se desprende el agua de composición, se descomponen las arcillas en óxidos, cesa la dilatación y se inicia la contracción de volumen. 3. De 600-900°C: Se produce un metacaolín muy inestable que tiende a formar alúmina. Es muy higroscópico. 4. De 900-1000°C: En este período reacciona la alúmina con la sílice y se forma el silicato alumínico, SiO2.Al2O3, del que existen tres estados alotrópicos en la naturaleza: Sillimanita, Andalucita y Distena. 5. A más de 1000°C: El silicato SiO2.Al2O3 tiende a transformarse en 3Al2O3.2SiO2 (mullita, de gran dureza, pequeño coeficiente de dilatación, que cristaliza en agujas muy finas). 6. Fusión: La fusión ocurre a temperaturas por encima de 1700º C. Las arcillas funden a 1780°C; la Sillimanita, a 1880 °C y la Mullita, a 1930°C. 1.3. Activación térmica de las arcillas, reactividad puzolánica de las arcillas y los desechos de la cerámica roja. Las arcillas en su estado natural poseen una estructura cristalina muy estable, de baja solubilidad química, lo cual reduce en gran medida la liberación de la sílice y alúmina presente, exhibiendo por tanto baja puzolanicidad. Presentan una alta capacidad para la inmovilización de agua entre las capas que componen su estructura, así como para la adsorción de iones, que influye en la composición química de las soluciones acuosas(Andrés 2014). Las arcillas de bajo grado, con contenidos de caolín por debajo de 40%, cuando son activadas a temperaturas alrededor de los 900 grados centígrados pierden su reactividad producto de la disminución de la superficie específica producido por la aglomeración de partículas y la sinterización por elevadas temperaturas. Este problema puede ser revertido mediante el molido, lo que provoca, además del empaquetamiento entre las partículas, un incremento de la superficie específica y por ende de la reactividad de dicho material(Lara 2010). Según estudios precedentes, las arcillas activadas térmicamente se caracterizan por la solubilidad de sus iones en el medio alcalino. Acorde a resultados tempranos, la máxima solubilidad fue determinada entre los 700 y 800°C de calcinación. La comparación de las arcillas que se produjeron en laboratorios y las calcinadas en escala industrial revelaron un 19 rango de temperatura óptimo para la solubilidad máxima. Ambas arcillas calcinadas exhibieron una significante reactividad al combinarlas con cemento, reemplazando hasta un 20% de cemento Portland por arcilla calcinada. El índice excede 1.0 para una temperatura de calcinación óptima en el rango entre 700 y 800°C(Thienel 2015). Otros estudios referidos al grado de puzolanicidad de cementos mezclados fueron evaluados mediante la prueba de Frattini a los 2, 7 y 28 días. La demanda de agua del sistema ternario se evaluó a partir de la fluidez del mortero y la actuación de la resistencia mecánica a los 2, 7 y 28 días. La fluidez y la resistencia a compresión fueron desarrolladas a partir de morteros con proporciones 1:3 y relación agua/cemento de 0,5. El mortero fue mezclado en un mezclador planetario, los especímenes fueron lanzados y apretados por la vibración, luego curados en moldes dentro de un armario húmedo. Removidos del molde fueron sumergidos en agua con cal saturada hasta la edad de prueba a 20 ±1°C. Estas pruebas concluyeron que los cementos mezclados que contienen de 0-10% de relleno de caliza y de 0-30% de arcilla calcinada desarrollan una resistencia a compresión similar a ese Cemento Portland a los 28 días, debido a la interacción entre estos dos componentes. Las resistencias comienzan a ser comparables desde los 2 días(Irassar 2015). 1.3.1. Bases teóricas para el uso como puzolanas de las arcillas activadas térmicamente (AAT). Durante la hidratación del CP los principales productos que se forman provienen de la reacción de los compuestos silíceos alita (C3S) y belita (C2S) para la formación de una gran variedad de silicatos de calcio hidratados – genéricamente llamados SCH – e hidróxido de calcio o portlandita (HC), de acuerdo a la Ecuación 1.1 y Ecuación 1.2. Los hidrosilicatos de calcio son los responsables de las resistencias mecánicas y demás propiedades deseables de la matriz cementicia, mientras que el hidróxido de calcio no contribuye de manera significativa a dichas propiedades(Andrés 2014). Ecuación 1.1 2C3S + 7H → S2C3H4 + 3HC (Alita) (Agua) (Silicato de calcio hidratado) (Portlandita) Ecuación 1.2 2C2S + 5H → S2C3H4 + HC 20 (Belita) (Agua) (Silicato de calcio hidratado) (Portlandita) El mecanismo y los productos obtenidos en la reacción puzolánica entre la metacaolinita (MK) y el Ca(OH)2 dependen del sistema utilizado: varía según el estudio se realice mezclando arcilla caolinítica calcinada con Ca(OH)2 y agua, o mezclando arcilla caolinítica calcinada con cemento y agua. En el sistema arcilla calcinada (MK) + hidróxido de calcio (CH) + agua, los productos cristalinos formados dependen principalmente de la relación MK/CH y de la temperatura de reacción(Tironi 2013). La observación de secciones pulidas en el Microscopio Electrónico de Rastreo (MES) puede brindar importante información acerca de la morfología de los productos de reacción, y también sobre la composición de las diferentes fases presentes, en caso que se usen las facilidades del sistema de detección por Fluorescencia de Rayos X (EDX) sobre la superficie de la muestra(Hernández 2003). 1.3.2. El sistema ternario CP – AAT- Caliza. Reacciones puzolánicas, fundamento de la producción industrial y local del LC3. El uso de arcillas calcinadas provenientes de yacimientos con bajo contenido de caolín más la adición de piedra caliza molida y cemento portland, forman en la actualidad un sistema ternario combinado de gran interés. Proyectos recientes han estudiado el contenido de esta mezcla con adiciones de 0-30% de arcilla calcinada y 0-10% de caliza molida mezclado con Cemento Portland. La puzolanicidad del cemento mezclado se evaluó por las pruebas de Frattini a los 2, 7 y 28 días, así como la resistencia a compresión. El progreso de la hidratación fue determinado por el tipo y cantidad de compuestos hidratados a las edades de 2, 7 y 28 días usando el método de Rietveld. El cambio en la distribución de tamaño de poro fue determinado por el porosímetro de intrusión de mercurio (MIP por sus siglas en inglés). Las fases hidratadas obtenidas correspondientes a la reactividad puzolánica (debido a la contribución de la arcilla calcinada) y las fases estabilizadoras (contribución de la caliza molida) modifican la estructura de poro y todos los factores contribuyen para desarrollar las propiedades mecánicas aceptables con una reducción grande de consumo de energía y emisión de CO2(Irassar 2015). Otros estudios sustituyen el clínquer hasta en un 50% por la mezcla de arcilla calcinada con caliza molida. El polvo de caliza acelera la hidratación temprana y la arcilla calcinada desarrolla la resistencia a compresión en edades tempranas debido a su reacción puzolánica. Más allá de esto, facilita la reología de la mezcla fresca sin comprometer la 21 resistencia, siendo esto posible debido a la sinergia desarrollada entre la arcilla calcinada y la caliza. La laborabilidad de este sistema es fuertemente afectada por la distribución del tamaño de partícula y esta a su vez es afectada por el proceso de molienda, por consiguiente, debido a las diferentes durezas y tamaños de partículas de los materiales que forman este cemento, el mismo debe ser definido bajo nuevos parámetros productivos. Si los diámetros de partículas tienden a ser similares, se produce un vacío que debe ser rellenado por agua para proporcionar una mezcla laborable. La calorimetría isotérmica puede ser una buena prueba para evaluar la influencia de la fineza de los materiales en el nuevo cemento. Parece ser el parámetro más importante con respecto al calor de hidratación durante las primeros 24 h(A. Pérez 2015). 1.3.3. Relación entre el tratamiento térmico, las características físico – mineralógicas de la arcilla y la reactividad puzolánica. Algunos autores han revisado ampliamente este parámetro en estudios anteriores, resumiendo que la temperatura de activación óptima para el caso del caolín se encuentra en el rango de 630 - 800 ºC. La calcinación por debajo de los 700 ºC resulta en un metacaolín menos reactivo con más residuos de caolinita, mientras que por encima de 850 ºC ocurre una cristalización y disminuye la reactividad(Lara 2010). La reactividad puzolánica de arcillas calcinadas depende del volumen de material potencialmente reactivo (directamente relacionado al contenido de Al2O3 y SiO2) y la magnitud del desorden estructural alcanzado durante la activación térmica (directamente relacionado a la pérdida de grupos hidroxilos). Para arcillas con bajo grado caolinítico o para arcillas comunes donde la reactividad puzolánica podría ser considerada como la contribución combinada de todos los minerales de arcilla presente en la muestra, es difícil asignar el volumen de las fases reactivas o la pérdida de peso debido a la estructura de los grupos hidroxilo a un mineral arcilloso en particular. Estudios previos han mostrado que los minerales arcillosos provenientes del grupo de los caolines (Al2O3~ 39.50%; OH-~ 13.95%), presentan una mayor reactividad puzolánica. Entonces, es razonable asumir que aun cuando la contribución de cada mineral de arcilla a la reactividad puzolánica no pudiera determinarse separadamente, el mayor contenido global y estructural de Al2O3 y OH- en el material crudo, elevan potencialmente la reactividad puzolánica de los productos de calcinación(Adrián Alujas 2015). 22 1.4. Métodos para la determinación de la reactividad puzolánica. Para caracterizar una puzolana desde el punto de vista de su actividad puzolánica se pueden aplicar diversos métodos, los cuales se clasifican en métodos químicos, físicos y mecánicos, según sé referencia en normas como ASTM y UNE. Quizá, los más conocidos desde el punto de vista de la ingeniería son estos últimos, los métodos mecánicos. En general a través de los métodos mencionados, se evalúa la contribución de la reacción puzolánica en el desarrollo de la resistencia mecánica a compresión de los morteros y hormigones de cemento que contienen la puzolana(Ordóñez 2002). Algunos métodos y normativas de amplio uso en la bibliografía referenciada son los siguientes: • Método químico o de Frattini, ICONTEC 1512 (UNE 80280/88; EN 196-5). • La evaluación del Índice de Actividad Puzolánica con Cemento, ASTM C-311 • La norma ASTM C618 establece un índice mínimo, (R muestra / R Patrón ) del 75% para clasificar un material como de carácter puzolánico. • La evaluación del Índice de Actividad Resistentes con Cementos Portland, UNE 83-451 86. • El Índice de Actividad Puzolánica con Cal, ASTM C-311. • Otros métodos mecánicos para evaluar la puzolanicidad son los de Feret y Pauli (módulo de la efectividad de la puzolana). (J.) Investigadores como Alujas han desarrollado métodos para la medición de la reactividad puzolánica, exponiendo los productos de calcinación de las materias primas a una disolución alcalina para medir la cantidad de silicio y aluminio capaz de disolverse en una solución básica de NaOH. Se mezclaron 50 mL de una disolución de NaOH a un pH=13 con 0,1g de arcilla calcinada y se sometió la disolución a un baño de maría a temperatura (50 °C) y agitación (30 rpm) constantes durante 24 horas. Posteriormente se tomaron 25 mL de la mezcla y se añadió 2,5 mL de HCl concentrado para disminuir el pH por debajo de 1 y se prosiguió a centrifugar la disolución a 1500 rpm durante 20 minutos para separar el sólido remanente. La disolución fue recogida para determinar la cantidad de Si y Al soluble, utilizando la Espectroscopía de Absorción Atómica (EAA)(Adrián Alujas 2015). 23 1.4.1. Resistencia a la compresión e índice de reactividad puzolánica. El efecto de la reacción puzolánica en morteros y hormigones de cemento/puzolana consiste fundamentalmente en que la resistencia mecánica desarrollada por dicho conglomerado es superior a la esperada debido a la relación agua/cemento existente en la dosificación de dicho conglomerado. De ese modo, podemos decir que la presencia de puzolana realiza un papel equivalente a la reducción de la relación agua/cemento, que tiene como consecuencia el aumento en la resistencia mecánica(Ordóñez 2002). La contribución a la resistencia mecánica con el incremento de la temperatura de calcinación en arcillas caoliníticas no solo puede estar relacionado a un incremento en el desorden estructural asociado con la deshidroxilación de la caolinita, sino también con los cambios de coordinación alrededor del aluminio, que produce un incremento del contenido de alúmina reactiva en el mineral arcilloso(Lisandra Poll Legrá; Roger S 2016) 1.4.2. Método R3. Este método, caracterizado por ser rápido, pertinente y fiable, (R3 por sus siglas en inglés) es una prueba que caracteriza la reactividad puzolánica de las arcillas calcinadas. Usa calorimetría isotérmica para evaluar la reactividad monitoreando y modelando las emisiones de calor en el sistema ternario portlandita-arcilla-caliza. Pruebas realizadas comienzan con una temperatura de 20 °C, encontrando relaciones entre la emisión de calor y la resistencia a compresión a los 6 días, en morteros que contenían arcilla calcinada y caliza. Otra serie de pruebas se llevó a cabo a una temperatura de 40 °C habilitando la prueba de calorimetría isotérmica con una reducción de 1 a 6 días, manteniendo positivos los resultados referidos a la relación con la resistencia a compresión(Scrivener 2015). La Universidad Central Marta Abreu de Las Villas también desarrolló este método por medio de investigaciones evidenciadas a continuación. Se prepararon pastas Ca(OH)2 / Puzolana utilizando un 30 % de sustitución del Ca(OH)2 por arcilla calcinada y una relación agua / sólido = 1,2 para asegurar en cada sistema un exceso de agua para la reacción de hidratación, y obtener además una buena laborabilidad de las pastas. Alrededor de 47g de pasta fueron mezclados a 1600 rpm durante dos minutos utilizando una hélice de cuatro palas y 15g de cada mezcla se colocaron en frascos de vidrio, las cuales se cerraron y posteriormente fueron colocadas en el calorímetro. Se ajustaron los 24 niveles de sulfato y álcalis para reproducir el ambiente de la reacción de hidratación de la mezcla, la solución de poros del cemento y asegurar la formación de los productos de reacción y de las fases ettringita y Afm. Se empleó un calorímetro TAM AIR 3238 de la firma Thermometric. Primeramente el equipo se calibró para una escala de 600 mW, a una temperatura de 30 °C. Agua destilada fue utilizada como referencia para cada una de las muestras y lecturas cada 60 segundos durante 6 días fueron tomadas usando un ordenador conectado al equipo. Las curvas de flujo de calor registradas fueron normalizadas a la masa de puzolana e integradas para convertirlas en curvas de calor total liberado en el tiempo. Se empleó nuevamente una referencia de metacaolín(Adrián Alujas 2015). 1.5. Conclusiones parciales.  El proceso de fabricación de algunos materiales de la construcción como el cemento portland contribuye al aumento del efecto invernadero debido a la emisión de gases de efecto invernadero (CO2) a la atmósfera provenientes de la quema del combustible y de los procesos de calcinación, de ahí que la disminución del factor de clínquer con la adición de arcillas activadas térmicamente constituye una importante contribución desde el punto de vista económico y ambiental.  La producción de elementos de cerámica roja a niveles industriales y artesanales no está exenta de contribuir al deterioro del medio ambiente, debido fundamentalmente a las condiciones precarias y las escasas tecnologías con que se desarrolla el sector, sin embargo de igual modo el reciclaje de desechos de cerámica para su empleo como material puzolánico supone una importante contribución al desarrollo local desde el punto de vista económico y ecológico.  El uso de arcillas calcinadas provenientes de yacimientos con bajo contenido de caolín más la adición de piedra caliza molida y cemento portland, forman en la actualidad un sistema ternario combinado de gran interés y en desarrollo, con posibilidades reales de ser adoptado para la producción local de materiales de construcción.  La adición de AAT en la matriz cementicia corrobora que las fases hidratadas obtenidas correspondientes a la reactividad puzolánica (debido a la contribución de la arcilla calcinada) y las fases estabilizadoras (contribución de la caliza molida) 25 modifican la estructura de poro y todos los factores contribuyen para mejorar las propiedades mecánicas con una reducción importante del consumo de energía y emisión de CO2  La reactividad puzolánica de arcillas calcinadas depende del volumen de material potencialmente reactivo (directamente relacionado al contenido de Al2O3 y SiO2) y la magnitud del desorden estructural alcanzado durante la activación térmica (directamente relacionado a la pérdida de grupos hidroxilos). Para caracterizar una puzolana desde el punto de vista de su actividad puzolánica se pueden aplicar diversos métodos, siendo la determinación del IAP al parecer de los más empleados y confiables. 26 27 Capítulo 2: Estudio experimental de la activación térmica de arcillas a partir de la producción local de cerámica roja. 2.1. Generalidades La evaluación de las propiedades puzolánicas del material de desecho de cerámica roja a partir de la producción en talleres artesanales, así como de la arcilla originaria empleada en dicha labor y la determinación del régimen térmico usualmente empleado en los hornos de fabricación artesanal de ladrillos y otros elementos cerámicos, constituyen las temáticas fundamentales abordadas en este capítulo. Se muestran los resultados de ensayos físico - mecánicos realizados sobre muestras prismáticas (16 x 4 x 4 cm) de morteros elaborados con arena normalizada, tomando como base para las dosificaciones las investigaciones precedentes sobre el tema desarrolladas por investigadores del CIDEM y otros reportes de la literatura, en la elaboración de los morteros se reemplaza un 30 por ciento del peso del cemento por el material puzolánico. Se fabricaron 45 briquetas de (160 x 40 x 40 mm) con un solo diseño de mezcla, incluido el patrón. Las muestras fueron elaboradas a partir de Arcilla Activada Térmicamente de Vueltas (AATV), Arcilla Activada Térmicamente de Manicaragua (AATM), Desechos de Cerámica de Ladrillos (DCL) y Desechos de Cerámica de Rasillas (DCR), las muestras de arcillas se corresponden con el material del cual son elaborados los elementos de cerámica, de igual modo se elaboró la muestra patrón con el 100 % de P-35 como aglomerante. 2.2. Diseño experimental. La fase experimental se lleva a cabo para analizar primeramente los yacimientos de material arcillosos del cual proceden los desechos cerámicos (DC), en segundo lugar esclarecer el régimen térmico al que es sometida esta arcilla al obtenerse el material cerámico determinando las propiedades de los elementos cerámicos y las propiedades puzolánicas de estos mismos DC finamente molidos. En este sentido se evalúa el comportamiento que puede tener la sustitución en un 30% del peso del cemento por material puzolánico al compararlo con el P-35 respondiendo a un diseño multifactorial, para ello se tomó la siguiente metodología: 28 1. Descripción geológica de las arcillas atendiendo al lugar de procedencia. 2. Análisis físico-mecánico y químico-mineralógico a las arcillas en estudio. 3. Caracterización de las piezas de cerámica de los talleres artesanales. 4. Obtención de los constituyentes de los morteros a elaborar. 5. Fabricación de morteros en estado fresco y endurecido atendiendo a la dosificación de la sustitución en un 30% del peso del cemento por material puzolánico y una relación a/c de 0.5. 6. Producción de briquetas prismáticas de 160 x 40 x 40 mm de morteros en estado endurecido para los ensayos siguientes:  Resistencia a la compresión a los 3, 7 y 28 días.  Resistencia a la flexión a los 3, 7 y 28 días.  Evaluación de los resultados obtenidos en los ensayos. Para la realización del diseño experimental se consideran aspectos de importancia como la definición de las distintas variables tanto dependientes como independientes según se detallan a continuación: a) Variables dependientes: se corresponde con la variable que se analizará, se refiere a las propiedades del mortero en sus diferentes estados, definiéndose: o – compresión a los 3,7 y 28 días b) Variables independientes 2.3. Selección de los materiales arcillosos en estudio. Con el objetivo de analizar la influencia de la estructura y composición mineralógica de las arcillas en su actividad puzolánica, se seleccionaron arcillas de dos regiones de la provincia de Villa Clara. Los yacimientos estudiados pertenecen a la zona nombrada La Moza- 29 Carranchola en el municipio Manicaragua y El Santo, este último en las riveras del río Sagua La Chica en el municipio Camajuaní. En la figura 2.1 se observa la macrolocalización de los sitios donde fueron extraídas las muestras. 2.3.1. Características geográficas de las zonas El Santo y Sagua La Chica: El relieve de la zona es llano, interrumpido solo por el corte no muy profundo del río Sagua La Chica. La población del área está concentrada fundamentalmente en los poblados del Santo y Sagua La Chica, el primero con más del 80 % de su población urbana y el segundo con más del 90% de su población concentrada en dicho pueblo. Fig. 2.1: Macrolocalización geográfica de los yacimientos Fuente: Empresa Geominera V.C. 30 El clima es tropical con dos temporadas bien marcadas, una de seca y una de lluvia. La economía es agrícola, basada fundamentalmente en el cultivo de la caña de azúcar, aunque la cerámica y la explotación de arena de cauce también tienen peso dentro de la cercanía del área. Otro renglón importante lo constituye el centro de producción de Alevines, situados en la localidad Pavón próxima a los poblados antes señalados. Las condiciones de acceso son buenas por carreteras. El área de los trabajos se encuentra en propiedad estatal dedicada al cultivo de frutos menores, con cultivos de ciclo corto. Se solicitó la concesión de investigación del área. El área a investigar se encuentra a menos de 100 m de uno de los tejares y a menos de un km del otro, lo cual influye en la factibilidad económica. La Moza-Carranchola, Manicaragua: El área utilizada para la investigación de los yacimientos abarca 0.57 km2 dividido en dos zonas, La Moza y La Carranchola. Ambas se enmarcan al noroeste del poblado de Manicaragua, al norte de la carretera Santa Clara-Cumanayagua. La economía es agrícola basada fundamentalmente en el cultivo del tabaco y el café, creciendo este último en las cuestas de las montañas del Escambray, conjunto montañoso que se extiende desde la parte sudeste de la provincia de Cienguegos hasta la vecina provincia de Sancti Spíritus. 2.4. Descripción geológica de las arcillas El Santo y Sagua La Chica: El área a investigar está representada fundamentalmente por depósitos del Cuaternario (Q) constituido por material aluvial y de origen marino. Los sedimentos Cuaternarios presentan una gran variabilidad y están representados fundamentalmente por arcillas muy plásticas, con transición hasta arcillas arenosas. También se localizan arenas desde grano fino hasta grava. Las potencias de estos sedimentos oscilan de 1m hasta 10m y mayores. En la región se localizan los depósitos de la Fm Camacho (Q3 CMC) representados por limos areno arcillosos, arcillas limosas con intercalaciones de gravas finas, concreciones de 31 carbonato y cristales de yeso. Con espesor de hasta 3 m. Se presentan además otras formaciones geológicas como los del grupo Remedios (K1 ne-K2 m re), así como los de la Fm Vega Alta (P1-P 2 2 Va) y otras tales como Fm Mata (K1 al-K2 cm Mt) ,Fm Margarita (K1 be-vmra) y Trocha (J3 ttr). La Moza-Carranchola, Manicaragua: La región presenta una constitución geológica muy compleja y variada, representada por formaciones ígneas, sedimentarias y metamórficas con edades desde el cretácico hasta el cuaternario. La base de los depósitos arcillosos está constituida por los granitoides Manicaragua de edad cretácico, los cuales están limitados al Sur por el complejo anfibolítico del paleozoico. El magmatismo de la región está representado por granitoides Manicaragua los que forman cuerpos plutónicos de compleja composición orientadas en dirección Este- Oeste. Fig. 2.2 a): Mapa Geológico El Santo y Sagua La Chica, fuente: Empresa Geominera del Centro. Figura 2.2 b): Perfil geológico El Santo y Sagua La Chica, Fuente: Empresa Geominera del Centro. 32 Además se compone por sedimentos del cuaternario de origen eluvial-aluvial. En el primer caso estos depósitos están relacionados con la corteza de interperismo únicamente de los granitoides lo cual justifica el alto % de contenido de granos de Feldespato y Cuarzo en las arcillas arenosas fundamentalmente, y arcillas poco plásticas. Para el segundo caso existe una diferencia sustancial en cuanto a granulometría ya que esta es significativamente menor y el % de óxido de SiO2 es inferior que en el caso anterior. Es frecuente observar en la parte superior de los depósitos arcillas poco plásticas de variada granulometría fundamentalmente gruesas, las cuales constituyen fundamentalmente la cubierta estéril. Fig. 2.2 c): Mapa Geológico La Moza-Carranchola. Fuente: Empresa Geominera del Centro. Fig. 2.2 d): Perfil geológico La Moza-Carranchola. Fuente: Empresa Geominera del Centro. 33 2.4.1 Composición química y mineralógica de los yacimientos Tabla 2.1: Composición química-mineralógica del yacimiento El Santo-Sagua La Chica, Fuente: Empresa Geominera del Centro. Por la composición de Al2O3 se comporta como ácida. Por tener el Fe2O3 presenta altos contenidos de óxidos colorantes. SiO2 es mayor al >50% ya que en ellas está presente el cuarzo y son arcillas cálcico-magnésicas ya que el contenido de K2O se encuentra entre 0.69-1.22%. Elemento Contenido Si O2 57.75 Al2 O3 18.71 Fe2 O3 7.07 Ti O2 - Ca O 1.85 MgO 1.8 S0 3 0.02 Na2 O 2.68 K 2 O 0.65 Tabla 2.2: Composición química-mineralógica del yacimiento La Moza-Carranchola, Fuente: Empresa Geominera del Centro. La descripción mineralógica petrográfica se realizó con el auxilio de análisis de DTA y RX, además del análisis mineralógico a los residuos de los tamices. Los resultados arrojan que el mineral arcilloso predominante es la montmorillonita, además se encuentran la montmorillonita-clarita, la clarita, la halloysita y la goethita. Otros minerales como la calcita casi no aparecen y otros como el Feldespato, cuarzo y anfíboles se presentan con bastante frecuencia. Este último grupo son los responsables de que las Elemento Contenido Al2O3 11.46-13.14% TiO2 <1% Fe2O3 >3% SiO2 >50% K2O 0.69-1.22% Na2O 1.49-2.83 34 arcillas presenten propiedades que en ocasiones son contradictorias. Ejemplo de ello son las altas resistencias en todos los tipos, una tendencia general a presentar el agua plástica bastante moderada, sobre todo en las arcillas de mayor plasticidad, resistentes a altas temperaturas, aunque son arcillosas fusibles, que son cuestiones no características de las arcillas, con un grado de pureza mayor. 2.4.2 Análisis físico-mecánico a las arcillas de los yacimientos. 2.4.2.1 Yacimiento El Santo – Sagua La Chica En las tablas 2.3; 2.4 y 2.5 se presentan algunas de las características físico – mecánicas de las arcillas presentes en la zona de estudio obtenidas en investigaciones recientes realizadas por la Empresa Geominera del Centro con vistas a la realización de concesiones de estos yacimientos para su explotación por las industrias locales y otras entidades En las tablas se observa que la granulometría está entre el 35 y el 50 % en el tamíz<0.05mm, lo cual demuestra el alto contenido de polvo y arena que contienen estas arcillas que actúan como desgrasantes y generan este tipo tecnológico (producto de una mezcla natural como son las arcillas arenosas y las arenas arcillosas) que no es de una arcilla plástica propiamente dicha. Todas las demás propiedades están en el rango de aceptable para este tipo tecnológico exceptuando la absorción (superior al 15 %). En esta zona a pesar de presentarse en este tipo tecnológico granulometrías inferiores al 75 %, las arcillas poseen alta plasticidad, lo que se debe al material arcilloso predominante (montmorillonita). La absorción es alta para el tipo en cuestión y como se aprecia en la tabla se mantiene prácticamente estable debido a la arena que contiene la materia prima provocando una gran porosidad. La resistencia tampoco se diferencia sustancialmente de una temperatura a otra, sin embargo se puede señalar que la temperatura óptima de horneado se halla en el rango de 850 a 950º C, ya que a 750 el aspecto de las piezas horneadas no es el mejor pues su coloración es parduzca como si aún no estuviera en términos de cocción Tabla 2.3: Propiedades físico-mecánicas de arcillas muy plásticas en estado seco El Santo- Sagua La Chica, Fuente: Empresa Geominera del Centro. Valores CaCO3 (%) Granul. <0.05mm (%). Agua plástica (%). Contracción (%) Resist. (kg/cm2) Máx. 5 76.7 35.5 12.2 50 Mín. 0.9 45.2 25 7.1 22 Propiedades 35 Propiedades de las arcillas. UM Poco plásticas Plásticas Muy Plásticas Resistencia flexión (Kg/cm2). 15-6. 25-15 50-25 Contracción en seco (%). 4.5 4.4 5.4 Tabla 2.4: Grado de variabilidad general en estado seco El Santo-Sagua La Chica. Fuente: Empresa Geominera del Centro. Propiedades Temp. °C Muy plásticas Plásticas Poco plásticas Absorción horneada (%) 850 ≥15 ≥12 ≥8 950 ≥15 ≥12 ≥8 1050 ≥15 ≥12 ≥8 Resist. Horneada (kg/cm2) 850 150-40 40-20 20 950 25-40 20-25 20 1050 7-12 4.5-7 4.5 Tabla 2.5: Grado de variabilidad general en estado horneado El Santo-Sagua La Chica, Fuente: Empresa Geominera del Centro. 2.4.2.2 Yacimiento La Moza – Carranchola. De la observación de los resultados mostrados en las tablas 2.6; 2.7 y 2.8 puede concluirse que en el caso de la sensibilidad al secado se observa que es bajo para las arcillas del yacimiento La Moza - Carranchola, lo cual es atípico, o sea, en este aspecto las arcillas de alta plasticidad se comportan igual que las de más baja plasticidad. Esto puede deberse a su alta composición mineralógica y al alto contenido de compuestos acompañantes no arcillosos (que por tanto no poseen plasticidad) tales como el cuarzo y el feldespato fundamentalmente, ya que son los más cuantiosos. Puede verse con bastante claridad este efecto en las aguas plásticas en las zonas de arcillas arenosas donde es inferior a la establecida para este tipo tecnológico. Esto se debe a que el agua ligada a la superficie de los cristales de cuarzo es mínima, pero a bajos contenidos de humedad ya existen moléculas libres de agua que desarrollan una pequeña consistencia, o sea, que las consistencias máximas se alcanzan con más bajos porcentajes de agua que si no existiera dicho mineral. Esta es una característica de gran importancia a tener en cuenta a la hora de trabajar con la materia prima ya que su descontrol acarreará indiscutiblemente desequilibrios en los moldes. 36 Como puede observarse de todo lo descrito anteriormente, las arcillas en cada tipo tecnológico son muy semejantes en sus propiedades, tanto secas como horneadas solo se hace más estable la diferencia en cuanto a la granulometría que es ligeramente más gruesa en La Carranchola y se presenta más arenosa en todos los casos. Zona Carranchola Zona La Moza % Grueso 90.6 113.9 % de CaCO3 36.9 56.4 Tabla 2.6: Granulometría general de las arcillas del yacimiento La Moza-Carranchola, Fuente: Empresa Geominera del Centro. Zona Carranchola Zona La Moza % de fino 11.4 7.2 % de contracción seca 6.7 10.1 % de agua plástica 7.3 8.5 % de resistencia seca 35.4 32.6 Tabla 2.7: Variabilidad de las arcillas muy plásticas La Moza-Carranchola. Fuente: Empresa Geominera del Centro. Propiedades Temp. °C Muy plásticas Plásticas Poco plásticas Contracción total (%) 950 11 16 11 1050 13 20 15 1150 18 20 35 Absorción horneada (%) 950 9 7.8 - 1050 16 9.8 11 1150 56 41 35 Resist. Horneada (kg/cm2) 950 33 22 26 1050 33 24 27 1150 41 37 40 Tabla 2.8 Grado de variabilidad en estado horneado por tipos tecnológicos (La Moza), Fuente: Empresa Geominera del Centro. 37 2.4.3. Activación térmica de las arcillas para evaluar las propiedades puzolánicas. Para evaluar las propiedades puzolánicas de las muestras de arcillas provenientes de los yacimientos se le realizó un precalentamiento a 200 ºC por 30 minutos, luego de culminar esta etapa se sube el termostato de la mufla (Figura 2.4 a) hasta los grados requeridos (en este caso hasta temperaturas de 750, 800 y 850 ºC) con un tiempo de residencia igual a una hora. Concluido el proceso de calentamiento se extrae la arcilla del equipo y se coloca en las bandejas para el enfriamiento a temperatura ambiente. Finalmente, las arcillas calcinadas fueron molidas hasta obtener un 80% de partículas con tamaño menor a 45 mm (Tamiz Nº 325) en un molino tipo mortero, completando la molienda en forma manual (Figura 2.4 b) hasta obtener en todos los casos el 100% de las partículas con tamaño inferior a 45 mm. Figura 2.4 a) Figura 2.4 b) 2.5. Caracterización del material de desecho de cerámica roja y las materias primas utilizadas. Para la evaluación puzolánica del desecho de material de la producción de cerámica roja se realizó un proceso de molienda de los elementos seleccionados al azar, en este caso se utilizaron rasillas del taller de Santa Clara situado en la Sakenaf (arcilla de Manicaragua) y ladrillos de la producción artesanal en el municipio de Vueltas (arcilla El Santo - Sagua La Chica). Además el cemento seleccionado fue P-35, como árido se trabajó con arena normalizada. 38 2.5.1 Características de los elementos de la producción artesanal de cerámica roja. Rasillas de Santa Clara: Muestra Largo (cm) Alto (cm) Espesor (cm) Área (cm²) 1 26.5 13 1.9 344.5 2 26 13.2 2.1 343.2 3 27 13 2 351 4 26.7 13.5 1.9 360.45 5 26.5 13.6 2 360.4 6 27 13 2 351 Promedio 26.61 13.21 1.98 351.75 Tabla 2.9 Dimensiones de las rasillas muestreadas en el taller Pedrito – Santa Clara Muestra Masa seca (Kg) Masa húmeda (Kg) Adsorción (%) 1 1.25 1.37 9.6 2 1.3 1.4 7.69 3 1.2 1.28 6.66 4 1.31 1.26 8.39 5 1.28 1.41 10.15 6 1.28 1.37 7.03 Promedio 1.27 1.34 5.51 Tabla 2.10 Determinación de la adsorción en las rasillas. 39 Ladrillos de Vueltas: Dimensiones: Muestra Largo (cm) Alto (cm) Espesor (cm) Área (cm²) 1 25.1 12.6 5.2 316.26 2 25.1 12.6 5.3 316.26 3 25.6 12.7 5.5 325.12 4 25 12.6 5.3 315 5 25.6 12.5 5.3 320 6 25.6 12.3 5.3 314.88 Promedio 25.33 12.55 5.32 317.92 Tabla 2.11: Dimensiones de los ladrillos muestreados en el taller artesanal de Vuelta. Muestra Masa seca (Kg) Masa húmeda (Kg) Adsorción (%) 1 2.75 3,12 13.45 2 2.78 3,1 11.51 3 2.73 3,16 15.75 4 2.63 3 14.06 5 2.65 3 13.20 6 2.7 3,1 14.81 Promedio 13.79 Tabla 2.12 Determinación de la adsorción en los ladrillos muestreados. 40 2.5.2: Análisis granulométrico a los polvos del material de desecho de cerámica roja. En la tabla 2.13 que se presenta se resume el resultado del ensayo de distribución granulométrica realizado para los polvos de los desechos de cerámica, según se describió con anterioridad, las rasillas y los ladrillos, fueron molturados durante 45 minutos en un molino de bolas MB -800 de la serie diseñada y fabricada como resultado de investigaciones del CIDEM. DCL - Horno del poblado del Santo (arcilla de Vueltas). Tamices % Pasado No. mm 100 4 4.76 90 8 2.38 83 16 1.19 69 30 0.59 45 50 0.297 22 100 0.149 16 200 0.074 Tabla 2.13 Determinación de la distribución granulométrica de los desechos de cerámica. 2.5.3 Propiedades del cemento P-35 según la (N.C 2001). Índice Requisitos UM P-35 Físicos Superficie específica Blaine (min.) cm2/g 2800 Tiempo de fraguado inicial (min.) min 45 Tiempo de fraguado final (máx.) h 10 Estabilidad de volumen por Le Chatelier (máx.) mm 10 Mecánicos Resistencia a la compresión (min.) 3 días (MPa) 17 DCR - Horno de Santa Clara (arcilla de Manicaragua). Tamices % Pasado No. mm 100 4 4.76 95 8 2.38 80 16 1.19 65 30 0.59 36 50 0.297 16 100 0.149 11 200 0.074 41 7 días 25 28 días 35 Químicos Pérdida por ignición (máx.) % 4 Residuo insoluble (máx.) % 4 Óxido de Magnesio (máx.) % 5 Trióxido de Azufre (max.) 3.5 Tabla 2.14 Propiedades del cemento P – 35 utilizado para la elaboración de los morteros. 2.5.4 Propiedades de la arena sílice normalizada según la (N.C 1987.) La arena utilizada para la elaboración de los morteros ha sido adquirida en el sistema del MICONS y la misma está garantizada en cuanto a sus parámetros según la correspondiente normativa por lo que la misma se distribuye en cantidades limitadas para trabajos de laboratorio, en las tablas 2.15 y 2.16 se muestran sus características. Características U.M Valor Óxido de Silicio (min.) % 98 Pérdida por ignición (máx.) % 0.3 Impurezas orgánicas (máx.) % 0.3 Impurezas arcillosas y polvo (máx.) % 0.6 Tabla 2.15 (Arriba) Características de la arena sílice normalizada utilizada en los ensayos. Tabla 2.16 (Debajo) Distribución granulométrica Apertura tamiz (mm) Retenido (%) Apertura tamiz (mm) Retenido (%) 0.09 96 – 100 1.0 28 – 38 0.15 83 – 93 1.70 0 – 10 0.50 62 – 72 2.00 0 2.6. Características de los hornos artesanales utilizados en la producción de elementos de cerámica roja. 42 2.6.1. Horno artesanal de Santa Clara. El horno utilizado en la cocción de rasillas en el taller artesanal de La Sakenaf (Figura 2.5 a), tiene como fuente de combustible la leña. Es un horno típico de ladrillos con un total de tres aberturas, dos de ellas para el control del material combustible y una para la introducción y la extracción de las piezas artesanales. Cuenta con una capacidad productiva de entre 11000 y 12000 rasillas en cada ciclo de producción o quema. El ancho del mismo es de 300 cm, su largo de 360 cm, una altura de 410 cm (sin la cúpula) y los muros tienen un espesor de 30 cm (Figura 2.5 b). En el mismo se registraron temperaturas (Figura 2.5 c, d) en tres puntos de acceso, inferior, medio y superior. Figura 2.5 Izq. a); Horno artesanal modificado para la producción de rasillas. Der. Figura 2.5 b) Esquema con la instrumentación montada para el monitoreo de la temperatura. 43 Figura. 2.5 c: Registro de temperatura, horno Santa Clara: Figura 2.5 d) Registro de temperatura promedio 0 24.6 153.5333333 295.4666667 432 562.6666667 670.3333333 868 863 921 y = 115.06x - 153.79 R² = 0.9792 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 Te m p er at u ra ( G ra d o s ce n ti gr ad o s) Tiempo Acumulado (minutos) Taller Santa Clara (Tiempo vs Temp.) M1 (grados C) M2 (grados C) M3 (grados C) Santa Clara Promedio Lineal (Santa Clara Promedio) 24.6 153.5333333 295.4666667 432 562.6666667 670.3333333 868 863 921 y = 1.5698x R² = 0.9543 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 100 200 300 400 500 600 700 Te m p er at u ra (g ra d o s ce n ti gr ad o s) Tiempo (minutos) Temperatura Promedio 44 2.6.2. Horno artesanal de Vueltas: El horno utilizado en la cocción de ladrillos en el taller artesanal del poblado El Santo (Figura 2.6 a), tiene como fuente combustible fuel- oíl, el cual es impulsado por una turbina que constituye la base del sistema de alimentación y recirculación de aire. Figura 2.6 a) Figura 2.6 b) Figura 2.6 c): Registro de temperatura, horno Vueltas. 23.5 240 370 460 492 512 533 525 620 670 730 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 100 200 300 400 500 600 700Te m p er at u ra (g ra d o s ce n ti gr ad o s) Tiempo (minutos) Temperatura Vueltas 45 Es un horno típico de ladrillos con tres aberturas, dos para dar entrada al sistema de tuberías de alimentación y su control visual y la otra para la introducción y la extracción de las piezas de cerámica. Su capacidad productiva es de 13000 a 15000 ladrillos en cada ciclo productivo. El ancho del mismo es de 424 cm, su largo de 420 cm, una altura de 510 cm (sin la cúpula) y los muros tienen un espesor de 45 cm (Figura 2.6 b). En el mismo se registraron temperaturas (Figura 2.6 c) en un punto correspondiente a la parte superior del horno. 2.6.3 Comparación de las temperaturas de ambos hornos. En la figura 2.6 d se muestran los resultados de las mediciones en ambos hornos lo que permite realizar una rápida comparación. Se aprecia notablemente en la superposición de los gráficos que el horno correspondiente al taller de Santa Clara alcanzó temperaturas de cocción más elevadas que el de Vueltas, esto puede tener consecuencias para la calidad de los elementos cerámicos fabricados así como para la reactividad puzolánica de los polvos de los DC, lo cual será analizado en el capítulo siguiente del presente trabajo. Figura 2.6 d): Registro comparativo de temperatura, entre las dos tecnologías monitoreadas. 2.6.4. Proceso tecnológico de fabricación del material de desecho de cerámica roja. 24.6 153.5333333 295.4666667 432 562.6666667 670.3333333 868 863 921 23.5 240 370 460 492 512 533 525 620 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 100 200 300 400 500 600 700 Te m p er at u ra (g ra d o s ce n ti gr ad o s) Tiempo (minutos) Comparacion Temperaturas Hornos Santa Clara Promedio Vueltas 46 El taller artesanal ubicado en Carretera Acueducto km 1, Reparto Sakenaf cuenta con un depósito para el volteo de camiones que traen la materia prima (barro o material arcilloso) para la fabricación del elemento, ya sea tejas o ladrillos. Luego de apilada, comienza un proceso de hidratación donde se le hacen orificios con una barreta para que el agua se traslade a la parte inferior de la pila, repitiendo el mismo varias veces en distintos puntos, al culminar se cubre con un nylon toda la superficie expuesta. En esas condiciones se mantiene de cinco a seis días, según la calidad del barro. Posteriormente se traslada al depósito de la pizza (Figura 2.7 a), lugar cercano a la máquina de moldeado, donde vuelve a repetirse el proceso de hidratación con una antelación de 24 horas a la fabricación. La máquina (Figura 2.7 b) es un motor diesel con todo el equipamiento capaz de regular las velocidades de rotación del sistema de poleas para un mejor rendimiento del equipo. (Figura 2.7 a) (Figura 2.7.b) El proceso continúa con la obtención de las piezas de barro moldeadas aún en estado húmedo y blando, para confeccionar los carriles (parrillas de madera donde se colocan los elementos en estado fresco para ser almacenados) que a su vez conforman hileras de aproximadamente 20m. Este sistema de almacenaje debe de ser cubierto con nylons para proteger las piezas de cerámica de las inclemencias del tiempo o el secado excesivo que puede producir el viento y el calor, fundamentalmente el viento que agrieta la superficie deteriorando las características físico-mecánicas del elemento. En ese estado y en dependencia del clima permanecen allí dos días como mínimo hasta que alcancen la dureza necesaria para ser planchadas en la mesa de planches (Figura 2.7 c), siendo almacenadas nuevamente por un período de una semana para ser trasladadas luego a la nave de secado 47 (Figura 2.7 d) donde permanecen hasta que las condiciones del clima permitan completar el ciclo, antes de ser horneadas por un lapso de tiempo comprendido entre diez y doce horas. Figura 2.7 c) Figura .2.7 d) 2.7. Proceso de fabricación de los morteros Para la elaboración de las probetas se limpiaron, engrasaron y armaron los moldes a utilizar según las especificaciones de la norma NC 173:2002. Se vertió una porción representativa de la muestra de aproximadamente 300 g de mortero en cada compartimento del molde, para formar una primera capa que se compactó en toda su superficie con 25 golpes suaves y homogéneos. Se vertió el resto del material y se repitió la operación de apisonado. Luego se eliminaron los espacios vacíos que quedaron en la superficie de los tres compartimentos. Cuando el mortero comenzó a endurecer, se enrasó el molde con una superficie metálica. Después de 24 horas de elaboradas las probetas se desmoldaron, se marcaron y se sometieron al proceso de curado en un ambiente con humedad relativa de aproximadamente un 90 % (no sumergidas en agua). Por cada muestra se fabricaron 3 moldes de probetas prismáticas de 40 x 40 x 160 mm para la realización de los ensayos programados en el diseño de experimento (ver Figura 2.8 a, b, c). Figura 2.8 a) Figura 2.8 b) Figura 2.8 c) 48 2.8. Ensayos mecánicos a probetas de morteros 2.8.1. Resistencia a flexión y compresión. Para el ensayo de flexión se colocaron las probetas en una prensa Caenao BCCCP (1975) que dispone de 3 cilindros de acero de 10 mm de diámetro, en dos de ellos descansa la briqueta y el tercero, que está equidistante de estos dos, se apoyó sobre la cara opuesta de la probeta ejerciendo una carga P verticalmente creciendo progresivamente (ver Figura 2.9 ). Figura 2.9 Probetas prismáticas de morteros sometidas a ensayos El ensayo de compresión se realizó utilizando las mitades que resultaron del ensayo a flexión, en este se ejerció un esfuerzo a través de dos placas de acero sobre la sección de 40 x 40 mm de la probeta hasta que llegó a la deformación de esta. Se tomó, en ese momento, la carga de rotura para luego promediar los valores alcanzados. 2.9 Conclusiones parciales del capítulo  La búsqueda bibliográfica se concibió como la base para elaborar un diseño de experimento que a partir del análisis estadístico y las pruebas realizadas concluyeran en resultados válidos para el análisis.  Las pruebas realizadas a las arcillas a diferentes temperaturas, la evaluación del material de desecho de la producción de cerámica roja, el origen geológico de los yacimientos de arcillas y el control de la manufactura de los elementos cerámicos, 49 permitirán establecer índices de puzolanicidad y las resistencias de las mezclas obtenidas.  El ensayo de granulometría realizado a los polvos de desechos del material de cerámica roja utilizado en la fabricación de probetas, no arrojó resultados óptimos lo que puede incidir directamente en los resultados de los ensayos mecánicos, sobre todo la materia prima correspondiente al polvo de ladrillos.  Los diferentes rangos de temperatura registrados en los hornos de cocción de las materias primas influyen sobre las características de los materiales cerámicos muestreados y pueden alterar los resultados de las resistencias mecánicas de las probetas, lo cual se refleja en la probable variación del índice de actividad puzolánica.  Las características físicas, mecánicas y mineralógicas del material arcilloso original están determinadas por el origen geológico de las mismas, lo cual a su vez puede determinar la idoneidad o no del desecho cerámico para su empleo como material puzolánico, es de destacar en el caso del material arcilloso de Manicaragua el alto contenido de alúmina lo que puede favorecer las propiedades reactivas del material. 50 Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados de la evaluación de la reactividad puzolánica de los materiales cerámicos obtenidos en diferentes condiciones y fuentes. 3.0 Introducción En este capítulo se evalúan los resultados obtenidos a partir de las pruebas realizadas a los diferentes morteros con sustitución de materiales puzolánicos procedentes de arcillas y desechos de la producción artesanal de cerámica roja. Se exponen resultados del comportamiento físico-mecánico de las muestras y su comparación con estudios internacionales similares realizados en la región de la Argentina, específicamente con la Tesis Doctoral de Alejandra Tironi y otras referencias que abordan específicamente el tema. Se comparan los resultados de los ensayos realizados al desecho cerámico de rasillas, por ser los mismos los de mayor resistencia a compresión, analizando a su vez las probables causas o interrelaciones que pueden determinar otros resultados. Se empleó además el programa Statgraphics Centurion, mediante el cual se obtienen resultados estadísticos tanto gráfica como analíticamente. 3.1. Análisis de resultados de la resistencia mecánica de los morteros e índice de actividad puzolánica. La resistencia a flexión y compresión de los morteros se determinó a las edades de 3, 7 y 28 días. Se utilizó para la realización del ensayo en cada edad, 3 probetas de 40 x 40 x 160 mm. Se presentan en la Tabla 3.1 los resultados de las resistencias medias a flexión y compresión, así como los índices de actividad puzolánica alcanzados (IAP). En este ensayo se determina la resistencia a la compresión y se calcula el índice de actividad puzolánica con cemento, como el cociente entre la resistencia a compresión de un mortero de cemento con 30% de reemplazo en peso del mismo por arcilla calcinada y la resistencia del mortero control, en este último el aglomerante es del 100% P-35 y en todos los casos se utiliza arena normalizada. (IRAM 1654, ASTM C311-03, EN-450-1). Se determinó la resistencia a compresión en tres probetas utilizando una prensa normalizada y certificada por el Centro Nacional de Normalización (CEN), dicho equipamiento pertenece a la Empresa Nacional de Investigaciones Aplicadas (ENIA) del Ministerio de la Construcción, se obtuvo el valor medio en todos los casos con una desviación estándar aceptable (inferior 51 al 10%) y se calculó el IAP. Para este ensayo diferentes normas sostienen que el material de reemplazo se comporta como una puzolana cuando el IAP es igual o superior a 0.75 a los 28 días (IRAM 1668; ASTM C 618 – 03; EN -450-1). En la tabla 3.1 se identifica el comportamiento de la resistencia a flexión, compresión y el IAP en cada una de las edades para cada uno de los materiales ensayados, o sea para las arcillas activadas térmicamente (AAT), para los desechos cerámicos (DC) y para la muestra patrón. Serie de Mortero Resistencia (MPa) Flexión Compresión IAP 3d 7d 28d 3d 7d 28d 3d 7d 28d Patrón 2.3 2.5 4.0 34.0 41.0 58.0 1 1 1 AATM 1.0 1.1 2.2 13.0 22.0 30.5 0.38 0.54 0.60 AATV 1.0 1.2 1.7 12.0 21.18 27.33 0.35 0.52 0.53 DCL 1.2 1.0 2.1 13.93 17.40 32.5 0.41 0.42 0.56 DCR 1.7 1.5 3.3 24.67 31.0 50.0 0.73 0.76 0.86 Tabla 3.1: Resultados del ensayo de resistencia a flexión y compresión. En los gráficos se aprecia el aumento de estos parámetros en el tiempo para cada serie de mortero, por lo que su comportamiento es consistente con la teoría, de modo que en edades tempranas los valores del IAP es mucho menor siendo conocido que las reacciones puzolánicas son lentas en comparación con el CPO. 52 Figura. 3.1: Resistencia a Flexión a las edades de 3 y 7 días. Figura. 3.1 a: Resistencia a compresión a las edades de 3 y 7 días. 2.3 1.0 1.0 1.2 1.7 2.5 1.1 1.2 1.0 1.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 P