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2do Encuentro de Jóvenes Investigadores en Ciencia y Tecnología de Materiales – Posadas – Misiones, 16 - 17 Octubre 2008.

USO DE ARENAS DE MOLDEO RESIDUALES COMO ADICIONES EN LAINDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN

Nicolás Santos Lalla y Juan Pablo PasquiniDirectora: Nancy Quaranta

Grupo de Estudios Ambientales. Facultad Regional San NicolásUniversidad Tecnológica Nacional

Email: [email protected]

TÓPICO: 9. Cerámicos, refractarios y vítreos. Materiales para la construcción.

RESUMEN El reciclado de residuos tiene gran importancia para la conservación del medio ambiente. La

utilización de éstos como parte integrante de nuevos bienes materiales impacta fuertemente en la preservación de los recursos naturales no renovables, disminuye el consumo energético, y evita los costos einconvenientes que implica su disposición final.

El objetivo de este trabajo es investigar el reciclado de arenas de moldeo residuales del proceso de fundición de hierro, para utilizarlas como agregado en la fabricación de ladrillos y tejuelas de arcilla roja para uso civil.

Se diseñan mezclas con distintos porcentajes de residuo. Se conforman probetas que son tratadas

térmicamente, y se determinan las propiedades microestructurales de los productos así obtenidos. La caracterización de materias primas y productos se realiza mediante la utilización de diversas

técnicas tales como microscopías óptica y electrónica de barrido, análisis dispersivo de energía de rayos X, y determinaciones de porosidad, densidad y microdureza.

Palabras claves:Reciclado. Materiales de construcción. Arena de moldeo. Cerámica roja.

INTRODUCCIÓNLa generación de residuos industriales se ha incrementado en los últimos años en una relación directa

a los niveles de riqueza y de avance de la tecnología de producción. A esta situación han colaborado variosfactores entre los que fundamentalmente se pueden destacar el aumento del consumo, la obsolescencia, lamayor productividad y la facilidad y bajo costo de los vertederos en países subdesarrollados.

Según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos - USEPA [1], cada año,aproximadamente 7,6 x109 toneladas de residuos sólidos industriales son generados y dispuestos en unamplio espectro de instalaciones industriales norteamericanas.

En esta situación existen dos caminos posibles y simultáneos: la reducción en la generación y lamitigación mediante el fomento de la reutilización o del reciclaje. Los materiales industriales no especiales,tales como las arenas de moldeo son productos valuables de procesos industriales, que pueden serampliamente utilizados en la industria de la construcción [1, 2].

La industria de la construcción civil y las auxiliares de la construcción pueden constituirverdaderos receptores de residuos y subproductos [3-8]. Con respecto a las arenas de molde puntualmente se puede citar el trabajo de Guney y colaboradores [9], que estudiaron la reutilizaciónde arenas de moldeo de la fundición para utilizarlas como componente del material sub-base en las

carreteras. Los resultados obtenidos mostraron que la resistencia de la mezcla es altamentedependiente del periodo de curado, de la energía de compactación, de la presencia de cemento o cal,



N. Lalla y J. P. Pasquiniy del contenido de agua durante la compactación. Los ensayos de lixiviación de laboratorioindicaron que la calidad del agua no sería afectada.

El objetivo de este trabajo es investigar el reciclado de arenas de moldeo residuales del proceso defundición de hierro para utilizarlas como agregado en la fabricación de ladrillos y tejuelas de arcilla roja. Elresiduo proviene de una industria metalúrgica ubicada en la región sur de la Provincia de Santa Fe.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Preparación de las muestrasLos materiales utilizados para la obtención de las muestras fueron arenas de moldeo residuales, y tierra

de arcillas rojas de la zona, de uso común en industria de la construcción. El residuo fue utilizado tal comose recogió de los depósitos de la empresa, y la tierra utilizada para las mezclas fue tamizada con el fin deretirar ramas o piedras pero no fue seleccionada granulométricamente.

Se prepararon muestras que contenían 30, 40 y 50 % de arena residual en ladrillos con un contenido dehumedad de 8 %. Las diferentes mezclas fueron conformadas en un molde de aproximadamente 40 mm deancho x 70 mm de largo con una presión aplicada de 50 MPa durante un minuto, resultando un cuerpo densode 9mm de espesor. Estas muestras fueron identificadas como sigue: TAM30, TAM40 y TAM50conteniendo respectivamente 30, 40 y 50% de residuo agregado.

Tratamiento térmico de las probetasTodas las muestras fueron sometidas al mismo tratamiento térmico, que consistió de un calentamiento

a 5 ºC/minuto hasta 250 ºC permaneciendo a dicha temperatura 1 hora, luego continuó el calentamiento aaproximadamente 3 ºC/minuto hasta 940 ºC y se mantuvo a esta temperatura 2 horas. Por último las muestrasfueron enfriadas hasta temperatura ambiente. Para la elección de la temperatura máxima de calentamiento setuvieron en cuenta las composiciones químicas de los materiales componentes mayoritarios de las mezclas(SiO2, Al2O3 y Fe2O3), la presencia de Na y K, que actúan como fundentes, y los parámetros de proceso queutilizan las ladrilleras industriales y artesanales en la zona.

Caracterización de materias primas y productosLas materias primas fueron caracterizadas por microscopía óptica (OM) y electrónica de barrido(SEM), y análisis químico semicuantitativo por dispersión de energía de rayos X (EDS).Los productoscompactos cocidos fueron caracterizados por OM, SEM y medidas de dilatación lineal permanente, porosidad, peso específico y microdureza Vickers.

Los análisis de SEM se llevaron a cabo con un microscopio electrónico de barrido Philips515, con analizador dispersivo de energía (EDAX-Phoenix). Las observaciones ópticas fueronrealizadas con un equipo Zeiss-Axiotech, con cámara marca Donpisha 3CCD, y digitalizador deimágenes. Las determinaciones de microdureza se realizaron en un equipo Shimadzu HMV-2000.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización de materias primasLos análisis de microscopía electrónica de barrido, y el análisis EDS determinaron las composiciones

expresadas en forma de óxidos simples, que se detallan en la tabla 1.

Tabla 1. Análisis EDS del residuo y de la tierra.Óxidos [%]

Na2O MgO Al2O3 SiO2 K 2O CaO TiO2 FeO MnO Arena de moldeo 5,2 4,4 14,7 70,1 0,3 0,7 --- 4,4 0,2

Tierra 5,0 3,7 18,0 67,1 1,6 0,9 0,5 3,2

Puede observarse en la tabla que la composición del residuo, si bien está constituido por el material base arena, se presenta con una constitución química similar a la de la arcilla utilizada. Esto se debe a que



N. Lalla y J. P. Pasquiniestos análisis se realizan sobre el material tal como es extraído de los depósitos a cielo abierto del descarte ysobre la superficie de las partículas se encuentran componentes arcillosos de la zona de depósito, y otrosagregados de proceso. Estos análisis están expresados como porcentajes de los óxidos simples de loselementos presentes, si bien es conocido que se encuentran en forma de estructuras compuestas del tiposilicoaluminatos, silicatos, etc.

Las micrografías obtenidas por SEM muestran la morfología de los materiales de partida.En la figura 1 se observa el material arcilloso (tierra) utilizado. Si bien presenta diferentes

granulometrías de partida, la observación de las partículas de mayor tamaño revela que están constituidas poraglomerados de partículas más pequeñas. Esto se corrobora si son debidamente tratadas con tamices o pormezcla con agua, se desgranan ocupando menor volumen.

Figura 1: Micrografías SEM de la arcilla utilizada.

Figura 2: Partículas de la muestra del residuo metalúrgico.

La figura 2 presenta el análisis SEM sobre la muestra de arena de moldeo. Puede verse que posee unadistribución bastante homogénea en tamaño, de partículas compactas con bordes redondeados, sin presenciade aristas o ángulos marcados. Es posible observar en pequeñas proporciones la presencia de granosdiferentes, con apariencia de fases fundidas, que fueron analizados por EDS resultando estar constituidos porSi, Ca y O, interpretándose como silicato de calcio.

Caracterización de productosEn la figura 3 se muestran los productos cocidos obtenidos. En todos ellos se mantuvo la planaridad de

los compactos en verde y se conservaron las aristas, no se produjo desgranamiento de la estructura salvo enla muestra TAM50 donde el grado de desgranamiento observado fue leve. Esto hace suponer un importantegrado de sinterización en las muestras TAM30 y TAM40, y la permanencia de los bordes en ángulo implicaque no se han alcanzado temperaturas cercanas a fusión de las fases mayoritarias.



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Figura 3: Muestras de los productos densos cocidos

Se obtuvieron los valores de ladilatación lineal permanente expresados como variación porcentual envolumen. A modo comparativo se utilizó una muestra de referencia que no contiene adiciones del residuo en

estudio (100 % tierra), el cual presentó una contracción del 8% en volumen. En las probetas que contienenarena de moldeo se observa que a medida que aumenta la proporción del agregado, las contracciones del producto cocido son menores, hasta el punto de inversión a composiciones cercanas al 40 %, observándoseen las muestras TAM50 una dilatación del material del 0,6 %.

La porosidad aparente y la densidad de las muestras se presentan en los gráficos de la figura 4. Lasmuestras con 30 % y 40 % de agregados residuales presentan valores cercanos de porosidad, mientras que lamuestra con mayor contenido (50 %) presenta un valor bastante superior. Esto concuerda con los resultadosde dilatación lineal permanente ya que en este tipo de materiales densos los pequeños aumentos de volumensuelen deberse al acomodo de la estructura y a la incorporación de aire, con más razón en este caso donde elgrado de sinterización es pequeño.

Figura 4: Porosidad y densidad de los productos cocidos.

Se han determinado tambiénlas pérdidas de peso por calcinación , observándose que al aumentar la

cantidad de arena de moldeo la pérdida por calcinación disminuye, resultado que sugiere que el componentetierra es el que sufre dichas disminuciones de masa, probablemente debido a la materia orgánica presente.Los análisis demicrodureza Vickers (ver figura 5) se realizaron recorriendo toda la superficie de las

muestras. Si bien no es posible obtener un valor de este parámetro que represente la muestra en su totalidad,es factible estimar un comportamiento a partir del análisis de las microdurezas de las distintas fases presentes. La observación por microscopía óptica muestra la presencia de tres estructuras básicas, los granosde arena, la matriz arcillosa, y aunque en pequeña proporción una fase granular inmersa en la matriz detonalidad más oscura. Estas tres estructuras diferenciadas son las que se han analizado y se encuentrandetalladas en la figura.

Se observa que los granos de arena constituyen la fase con la mayor dureza. En la matriz, seobtuvieron improntas definidas, algunas de las cuales presentan geometría asimétrica principalmente en las

muestras TAM40 y TAM50. Teniendo en cuenta la estructura del material base, esto se asocia al grado desinterización.



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Figura 5: Microdureza Vickers de las fases diferenciadas en los ladrillos.Hv expresada como Kgf/mm2

Los valores de microdureza y tenacidad en este tipo de materiales estructurales, fundamentalmente enlas fases que constituyen la matriz, están directamente relacionados al grado de sinterización y en función delos resultados, puede determinarse una relación inversa entre el grado de sinterización y el contenido dearena de moldeo.

Los análisismorfológicos, microestructurales y químicos semicuantitativos de las muestras fueronrealizados por microscopía óptica, electrónica de barrido y análisis dispersivo de energía.

En las muestras TAM30, los granos de arena se encuentran uniformemente distribuidos en el interior,mientras que en las zonas superficiales se observan algunos granos aislados. Esto se debe probablemente aque a estos porcentajes, la presión ejercida durante la conformación de los cuerpos en verde, provoca estetipo de distribución del material. Se encuentra una matriz con un alto grado de sinterización, con formaciónde cuellos y zonas con cierto grado de vitrificación, y una perfecta incorporación de las partículas de arena ala matriz base.

Figura 6: Análisis SEM y EDS de la muestra TAM40



N. Lalla y J. P. PasquiniEn las muestras TAM40 en cambio se observa una homogénea distribución de los granos de arena,

tanto en las zonas internas como externas del ladrillo (ver figura 6). Existe una buena inmersión de las partículas de arena en la matriz arcillosa, con contacto estrecho entre los bordes de los granos y las partículasconstituyentes del material base. Se encontraron algunas zonas donde se concentra la porosidad interna de lasmuestras y es claramente detectada la presencia de un grado de sinterización importante, con unión de partículas en la matriz, con algunas áreas vitrificadas, y con una buena unión de interfase entre matriz ygranos de arena.

En todas las muestras han podido detectarse, incorporadas a la matriz, partículas metálicas muy pequeñas, cuya composición es básicamente de Fe y Ti (ver figura 6).

Las muestras TAM50, si bien presentan distribución pareja entre las zonas superficiales comointeriores, poseen zonas de mayor concentración de granos de arena, inmersas en la matriz arcillosa y seconfirma la presencia de poros o espacios de separación entre la arena y la matriz que la contiene. Se ha podido observar que las partículas de silicato de calcio presentes en el descarte utilizado como materia primase integran muy bien a la matriz, manteniendo su estructura porosa (ver figura7).

Figura 7: Análisis SEM y EDS de partícula de silicato de calcio inmersa en la matriz

CONCLUSIONES

1. Los estudios realizados hasta el momento indican que es factible la incorporación del material dedescarte arena de moldeo como agregado grueso, para la obtención de cuerpos cerámicos compactos.2. En el rango de composiciones, granulometrías y demás condiciones experimentales utilizadas en este

estudio los resultados obtenidos indican que la composición 40% del residuo resulta la más adecuada.3. En próximas etapas, se completarán estos estudios con caracterización cristalográfica, ensayos

mecánicos de resistencia a flexión y compresión, diseño y fabricación de productos de dimensionesnormadas: ladrillos de construcción, ladrillos vistos, y tejuelas rojas.

REFERENCIAS1. US EPA, Industrial Material Recycling, Guide for Industrial Waste Management, web page.

http://www.epa.gov/epaoswer/non-hw/industd/guide/pdf/intro.pdf2. US EPA, Industrial Material Recycling, Guide for Industrial Waste Management, web page.

http://www.epa.gov/epaoswer/non-hw/industd/guide/index.htm3. E. A. Domínguez, R. Uhlmann, Ecological bricks made with clays and steel dust pollutants, Appl. Clay.

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Waste Management, 1995, Vol15 [1] pp 3-42.6. K. Skarkynska; Engineering part 2: utilization of mine stone; reuse of coal mining wastes in civil,

Waste Management, 1995, Vol15 [2] pp 83-126.7. L. Roth, M. Eklund; Environmental evaluation of reuse of by-products as road construction materials in

Sweden, Waste Management , 2003, Vol23 pp 107–116.8. M. Seoánez Calvo, Tratado de reciclado y recuperación de productos de los residuos. 2000, Ediciones

Mundi Prensa. España y México. ISBN 84-7114-901-X.9. Y. Guney, A. Aydilek, M. Demirkan, Geoenviromental behavior of foundry sand amended mixtures

for highway subbases, Waste Management, 2006, Vol26 pp 932-945.

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