RESPUESTAS DADAS SOBRE PREGUNTAS RELATIVAS A … el tema de los Ecomateriales... · del cemento...

Alejandro Salazar Jaramillo [email protected]

Cali, Colombia.

ABORDANDO EL TEMA DE LOS ECOMATERIALES DESDE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA

1. INTRODUCCIÓN. REFLEXIONES SOBRE LOS ECOMATERIALES

Muchas preguntas me han formulado sobre el tema de los ecomateriales y varias de ellas encierra un marcado escepticismo. No es de extrañar este comportamiento, pues esto ocurre cuando no entendemos algo y la mente nos sugiere, que lo que nos cuentan es imposible o lo que escuchamos es una fábula. A veces pienso en el mundo mágico de García Márquez y con respeto creo que los Ecomateriales, para muchas personas, se encuentran dentro de ese entorno literario.

Estos desarrollos han tenido poca difusión, sin embargo, será necesario socializar al máximo este conocimiento para buscar soluciones a problemas sentidos de la edificación en los países en desarrollo.

Desde el año 1972 he dirigido y participado en múltiples estudios e investigaciones alrededor de los temas de los materiales con propiedades cementicias para elaborar diferentes productos de construcción tales como adiciones para el cemento y el concreto, estucos, ladrillos, bloques, etc.

Desde el año 2001, con algunas personas más, hemos impulsado la producción industrial de los productos denominados Ecomateriales. Con ellos se han construido y hemos construido hasta la fecha, Agosto del 2007, 240 apartamentos y 373 viviendas de interés social en Cali y sus alrededores, y se han pavimentado 12.000 m2. También, se produce el Eco‐cemento, (mezcla de dos puzolanas ‐ natural y artificial ‐, cal y un aditivo), para sustituir entre el 25 y hasta el 50 % del cemento portland en la elaboración de productos prefabricados. Además, todos los productos elaborados con diferentes tipos de residuos industriales superaron los estudios de durabilidad recomendados por las normas técnicas.

Los residuos con los cuales hemos trabajado son:

Cenizas de carbón o de la incineración controlada de materiales vegetales tales como: cáscara de arroz, bagazo de caña de azúcar, cáscara de café.

Escorias de acerías o de siderúrgica de alto horno,

Residuos de ladrillos cerámicos rojos, de cerámica blanca y de porcelana eléctrica,

Escombros de construcción compuestos por: ladrillos rojos, panelería de yeso, morteros y hormigones, estucos y acabados.

Escorias de las fundiciones de cobre, aluminio,

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Lodos de plantas de aguas residuales urbanas, lodos de industrias químicas.

Para fabricar productos a partir de residuos, cuyas propiedades satisfagan las exigencias de las normas, primero hay que comprender cómo se diseñan materiales. Para ello hay que involucrarse en la ciencia y la tecnología de los materiales. Trabajar por error y ensayo, como sugieren las mezclas que generalmente se utilizan, no es garantía de reproducibilidad ni de buenos y seguros resultados.

Algunas preguntas básicas para plantear el diseño de un material, son:

1. ¿Cómo se reconoce si un residuo tiene aptitud como cementante y si es posible utilizarlo como adición para preparará la matriz conglomerante?, ¿Se requerirá del cemento portland para complementar su acción cementante, en qué proporciones se combinarían estos, cuál es la finura apropiada de este material cementante para aportar su mejor actividad, a qué edad se espera obtener la resistencia especificada?

2. ¿Cuál es el tamaño de partícula apropiado para trabajar la matriz agregado o la matriz aglomerante?, ¿Cuál será la distribución granulométrica apropiada?

3. ¿Cómo se encuentra el espacio libre óptimo para definir las proporciones de la matriz agregado y conglomerante?,

4. ¿Que proceso de mezcla y confinamiento utilizará para elaborar el producto?

5. Sí son mezclas secas, ¿cómo controlará el contenido de humedad?, ¿Dispone de un equipo VB para controlar la reología de las mezclas secas?

6. ¿Cómo realiza el proceso de dosificación, tal que garantice la calidad y la durabilidad de sus productos?

7. ¿Cuáles son las pruebas de durabilidad que permiten reconocer la estabilidad de sus productos?

Continuemos con una descripción de las características y propiedades de algunos residuos y sus aptitudes como potenciales materiales cementantes o como rellenos ‐ agregados ‐.

2. LA CENIZA GRUESA DE CARBÓN O “BOTTON ASH”. LA CENIZA VOLANTE O FLY ASH.

El tema de la carbonilla (ceniza gruesa de carbón) se ha tratado poco en los procesos de investigación, pues la mayoría del carbón en el mundo se pulveriza para emplearlo en las calderas, recuperándose ceniza volante del electrofiltro. Sin embargo la ceniza gruesa (botton ash), generada en el hogar de la caldera, consigue activarse. Algunas de ellas requieren de un activador química para mejorar su comportamiento. En todos los casos, hay que llegar a la finura óptima de activación.

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Tratada de esta manera, se usa como adición puzolánica en la producción de cemento y en la producción de concretos.

Un requisito importante a cumplir es que su contenido de inquemados sea inferior al 6%. La fracción de inquemados afecta negativamente la resistencia a la compresión de los elementos. La carbonilla puede contener y lixiviar sustancias que afectan la durabilidad de los concretos, como los sulfatos alcalinos que interaccionan con el aluminato tricálcico de los cementos creando la ettringita, sustancia expansiva que conduce a la fisuración de los elementos. Hay que estar seguro de que la carbonilla esté libre de estas sustancias para usarlas.

En la literatura es conocida como "botton ash", "coal slag". Hay experiencias negativas en nuestro país al emplearla como agregados para preparar bloques de concreto, algunos de ellos se han autodestruido en los 3 primeros meses. Al producir concreto con una matriz conglomerante conformada por cemento portland y ceniza de fondo de caldera que contenga carbón remanente y sulfatos, habrá riesgo de originar patologías irreversibles al concreto. Cuando se emplea para preparar bases o subbases de carreteras o como relleno para cimentaciones, si contiene mayores porcentajes de carbón remanente, los sulfatos son lixiviados por las aguas freáticas, pudiendo penetrar al concreto e iniciar el proceso de degradación de éste.

Se ha trabajado con cenizas volantes (fly ash) o escorias gruesas (botton ash) de carbón enfriadas bruscamente para activarlas mejor como puzolanas. El enfriamiento del fly ash se realiza con aire ambiente y el del botton ash con agua. El tema de fluidificar la ceniza en función de la temperatura es interesante desde el punto de vista de su transporte, mientras la temperatura no altere la amorficidad de la ceniza. La temperatura de activación es función de la composición mineralógica de la ceniza y sí por ejemplo, corresponde a un material de origen caolinítico, no debe superar los 800 °C.

La norma ASTM C‐618, es una buena guía para definir sobre la calidad de una ceniza volante. Las norma y su aplicación requiere de un tiempo mínimo de 7 días para reconocer la calidad, así que hay que preguntarse: ¿cuándo se debe conocer la calidad del producto elaborado y cómo reaccionar si no se cumplen las especificaciones y el producto ya se vendió? Por ello calificar a un material como apto es fruto de un proceso de I&D de mayor alcance que la aplicación de unas normas definidas.

En primer lugar para reconocer la calidad de una ceniza volante es indispensable evaluar su real capacidad como puzolana. No toda ceniza volante es puzolánica o apta y ello depende fundamentalmente de:

• La calidad del material que conforma la ceniza: caolinita, monmorrillonita, álcalis, etc. Esto es función de la variabilidad de la calidad del carbón o de la fuente de suministro.

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• La temperatura de activación. Esto tiene que ver con la temperatura real en el hogar y el tiempo de residencia en el mismo. Influye la característica del carbón en cuanto a su contenido de materias volátiles. De ahí la necesidad de poseer un patio de prehomogenización de carbones cuando hay diversos proveedores y calidades.

• La distribución de tamaño (granulometría), depende básicamente de la finura del carbón que alimenta los quemadores.

• El contenido de carbón remanente o inquemados. Optimización del proceso de combustión.

• La formación de xenosferas. Tiene que ver con la composición química de las cenizas en particular en su relación de álcalis.

• La mezcla de cenizas capturadas en el filtro electrostático. Los filtros electrostáticos poseen 2 o 3 cámaras de captación. La cámara más cercana a la evacuación de gases tiende a separar el producto mas apropiado, desafortunadamente es la cámara de menor capacidad de captación respecto a las otras. De ahí la importancia de evaluar el producto de cada cámara, antes de mezclar las cenizas capturadas en cada una de las cámara.

• La manera como se dispone la ceniza. Importa mucho conocer si la caldera dispone la ceniza por medio húmedo o seco. Pues ello vuelve más engorroso el proceso de beneficio de la ceniza.

• Evaluar el "botton ash", pues muchas veces tiene aptitud puzolánica y se constituye en otra fuente importante de puzolana.

3. SOBRE LA ELABORACIÓN DE ECOLADRILLOS CON RESIDUOS

Los Ecoladrillos se elaboran con residuos diversos, algunos de los cuales actúan como agregados y otros como conglomerantes. El uso en las mezclas de residuos de la industria ladrillera o escombros de ladrillos, hacen que el producto final adquiera un color parecido al de la cerámica roja.

La producción de los ecoladrillos se basa en el principio de la conglomeración en frío. Para esto se trabajan tres tecnologías, algunas de las cuales pueden combinarse: la de hidrólisis (beneficio de las propiedades puzolánicas de una fracción de los residuos), la conformación de elementos utilizando la reacción sílicocalcarea (en la literatura técnica se conoce como sand lime brick o activación alcalina de residuos) y una última tecnología en desarrollo, que es la conglomeración de residuos empleando el CO2 en estado supercrítico.

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Todo material cerámico que haya sufrido una acción térmica entre 600 y 900 °C durante un tiempo suficiente y luego se haya enfriado rápidamente sufre una activación como metacaolin (amorfo), que se comporta como una buena puzolana sí se lleva a la finura óptima. La conformación se realiza utilizando una prensa hidráulica, confinando el elemento entre 80 y 210 kg/cm2. Las reacciones químicas se desarrollan a temperatura ambiente en un medio de curado con humedad relativa mayor del 90% o mediante un proceso de curado hidrotérmico (en un invernadero saturado de humedad o utilizando un autoclave).

Ladrillos que contienen ceniza de carbón, escoria siderúrgica, escoria de cobre

Ladrillos con en base escoria de cobre, ceniza de carbón, residuos de porcelana eléctrica

4. SOBRE LAS CENIZAS DEL BAGAZO Y SUS POSIBILIDADES DE USO

Las cenizas del bagazo de la caña de azúcar se comportan de forma similar a las cenizas volantes, sí alcanzan la temperatura de activación y permanece el tiempo de residencia apropiado dentro de la caldera. Así, mezclada con cal, se produce un

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conglomerante que puede funcionar por si sólo o al combinarla con alguna cantidad de cemento portland, se pueden ejecutar obras de pequeño nivel.

Es fundamental reconocer la mineralogía de la sílice presente en el bagazo antes de quemarlo, para saber si el material es cristalino o amorfo. El primero es el que requiere el proceso de calentamiento apropiado, el segundo esta casi listo como material puzolánico y puede separarse directamente de la materia orgánica del bagazo.

Esto se explica por que la mayoría de las plantas metabolizan del subsuelo la sílice y la colocan en su estructura molecular como esqueleto. Cuando los vegetales se queman como energéticos la fracción mineral, compuesta mayoritariamente por sílice, queda en la ceniza. Sí el material ha permanecido entre 600 y 850 °C, consigue activarse quedando como base la sílice amorfa que es capaz de reaccionar con cal a temperatura ambiente, produciendo una especie de tobermorita o silicato de calcio hidratado, producto básico para el endurecimiento de matrices de cemento.

La ceniza del bagazo debe poseer bajos contenidos de inquemados, los estudios muestran que el carbón remanente queda concentrado en las fracciones gruesas, mayores de 300 μ. Una vez separada la fracción rica en carbón, la ceniza remanente hay que molerla a la finura de activación. Para ello, es conveniente hacer pruebas de molienda acompañadas de la evaluación de la reactividad alcanzada utilizando: DRx, el método de frattini, o las mezclas con cal y con cemento.

En la producción de azúcar a partir de caña, hay que controlar la combustión del bagazo en las calderas para producir una ceniza de calidad apropiada, puesto que no se justifica invertir en la activación térmica posterior al retiro del hogar de la caldera.

La utilización de la ceniza del bagazo de la caña de azúcar tiene importancia, pues hay 105 países cuyas economías tienen como fuente importante a la industria del azúcar con base en la caña. Con esta ceniza se pueden fabricar: morteros de mampostería, concreto para pavimentos, para estructuras, bloques de concreto, ladrillos por la técnica de los materiales silicocalcareos, adiciones activas para optimización de la dosificación de cemento en empresas prefabricadoras de: tubería, adoquines, postes, etc.

Algunos comentarios adicionales son:

• La finura del cemento no debe especificarse en función del % retenido en la malla de 45μ (#325). Es indispensable conocer la granulometría de la ceniza (distribución de tamaño de partículas) para estimar el valor de la finura a la cual debe llegar como puzolana. El cemento comercial en Colombia se elabora con un tamaño de partículas entre 14 y 8μ. Estos cementos son producidos en molinos con separadores de alta eficiencia cuya curva de Tromp es casi una vertical. Por lo general la puzolana cuando se muele conjuntamente con el clinker y el yeso, genera un producto cuyas partículas mas finas corresponden a

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la fracción de puzolana siendo más gruesas las partículas de clinker. Todo ello ocasiona que la finura reportada sea errada. Así, el clinker no ofrece todo su potencial. Por ello en todo el mundo se insiste en moler la puzolana independiente del clinker de cemento, para luego mezclarlos de acuerdo a las propiedades fisico‐mecánicas y de durabilidad requeridas. Para que una puzolana ofrezca sus mejores propiedades debe ser al menos de igual tamaño a la partícula de cemento y ojalá menor.

• La variación de la estabilidad de volumen (fisurabilidad) de los concretos se puede deber a varias causas, entre otras:

o Al empleo de un cemento finamente molido con alto contenido de silicato tricálcico y aluminato tricálcico reactivo. Esto ocasionará una gran liberación de calor, cuya consecuencia será una rápida evaporación del agua que dará oportunidad a una fuerte retracción hidráulica por secado.

o A la interacción entre la temperatura ambiente, la humedad relativa, la temperatura del concreto fresco y la velocidad del viento. Cuando estas variables conducen a una evaporación de agua mayor a 0,5 lt de agua/hora x metro cuadrado, aparecen en las primeras horas los síntomas básicos de las retracciones.

Los cementos puzolánicos y la adición de puzolana al concreto, contribuyen a reducir la fisurabilidad de estos.

• Toda puzolana empieza a trabajar cuando el cemento libera la portlandita Ca(OH)2; esto ocurre en general después de las primeras horas de preparada la mezcla. La reacción de la portlandita con la fracción lábil de la puzolana no esta acompañada de una fuerte liberación de calor pues esta se da paulatinamente y ello no crea tensiones internas altas que superen la resistencia mecánica desarrollada por la mezcla.

• En general las adiciones cumplen tres papeles en el concreto:

1. Tienen un papel reológico (plastificación) que permite mantener o reducir el consumo de agua, ello hace a la mezcla más resistente,

2. Juegan un papel de densificación de la mezcla por la alta finura. Ello genera una alta impermeabilidad y a su vez, contribuye también a incrementar la resistencia.

3. Por último, se da la reacción puzolánica que incrementa la fracción de tobermorita (gel de cemento) y contribuye con ello a la impermeabilidad, a reducir el calor de hidratación y a incrementar la resistencia mecánica. Este papel tiene impacto después de 7 días.

En estos tres papeles de las puzolanas, los dos primeros actúan físicamente sobre la resistencia mecánica igual que lo haría cualquier material inerte de

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forma redondeada y alta finura. Sin embargo, hay un papel químico que solo lo aportan las adiciones activas, la reacción puzolánica. Conocer como juegan en la evolución de la resistencia del concreto, cada una de las acciones descritas, es un proceso complejo pero a la vez básico para definir una adición activa o inerte.

• Cuando se desea reconocer a un material como puzolana, es necesario aplicar las diferentes normas técnicas de evaluación que existen para ello. Estas pruebas se realizan analizando el comportamiento con cemento portland o con cal. También, se realizan pruebas como la técnica de frattini o de la sílice soluble. Cuando un material satisface estas pruebas, es posible catalogarlo como una puzolana o una adición activa. Uno de los aspectos importantes de la calidad de una adición es su finura, pues mientras no se llegue a la finura óptima de activación, el material se comportará prácticamente como un inerte. Hay puzolanas que requieren de una molienda muy fina para conseguir su actividad. Sin embargo, la experiencia muestra que en general el tamaño promedio de partícula debe ser inferior a 6μ.

5. LOS CEMENTOS SIDERÚRGICOS O DE ESCORIA SIDERÚRGICA (SLAG CEMENT)

El cemento portland de escorias, es un conglomerante hidráulico que se obtiene mediante la molienda conjunta del clínker y de la escoria granulada de alto horno (o electrotermofosfórica) con la cantidad necesaria de yeso. Los componentes pueden molerse por separado, mezclándolos después. La cantidad de la escoria de alto horno en el cemento portland puede estar entre el 21 y el 60% de la masa del cemento. Se admite la sustitución de hasta el 10% de escoria por otro aditivo mineral activo.

Las escorias de alto horno son semejantes, por su constitución química, al clínker de cemento. En ellas prevalecen los siguientes óxidos: 30 ‐50% de CaO; 28 ‐30% de SiO2; 8‐ 24 % de Al2O3; 1 ‐3% de MnO; 1‐18% de MgO, cuyo contenido total alcanza un 90 ‐ 95%. La actividad hidráulica de las escorias se caracteriza por los módulos de basicidad (Mb) y de actividad (Ma).

El módulo de basicidad es la relación entre la suma de los óxidos básicos y la suma de los óxidos ácidos que contiene la escoria. Con relación al módulo de basicidad se distinguen escorias básicas, para las cuales Mb ≥ 1, y ácidas, cuando Mb < 1, siendo las primeras las más activas.

La actividad hidráulica de las escorias de alto horno aumenta al crecer el módulo de actividad que se determina por la siguiente relación:

SiOOAlM a

2

32=

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La escoria, utilizada en calidad de adición al cemento, hay que someterla al enfriamiento rápido por agua o vapor. El enfriamiento rápido impide la cristalización de la escoria, y ésta se obtiene en estado vítreo y de grano fino químicamente activo. Por esto la escoria granulada es un componente activo del mencionado cemento Portland. La escoria reacciona con el hidróxido cálcico formando el hidrosilicato de calcio (CaO.SiO2.2,5H2O) e hidroaluminato de calcio (2CaO.Al2O3.8H2O) de baja basicidad. Por el bajo contenido de Ca(OH)2 libre en el cemento, se aumenta la estabilidad del cemento portland de escorias en aguas dulces y sulfáticas, en comparación con el cemento portland corriente.

Las escorias de alto horno son materiales que contienen microgotas de acero que impiden la molienda a alta finura (< 13 μ). Para ello, es necesario extraer las microgotas con imanes. Aun así, las escorias siderúrgicas tienen una aptitud a la molienda baja lo que genera un alto consumo de energía para alcanzar la finura de activación, siendo este consumo de energía superior al de la mayoría de las adiciones minerales con comportamiento similar.

El desprendimiento de calor durante el endurecimiento del cemento portland de escorias es de 2.0 a 2.5 veces menos que en el cemento corriente, por eso es el más conveniente para elaborar estructuras macizas. El cemento portland de escorias difiere ventajosamente del puzolánico en que requiere una cantidad de agua moderada, posee resistencia más alta al aire y al frío. Se emplea con éxito tanto para las partes aéreas, como para las subterráneas y submarinas de las obras.

Al cemento portland de escorias le es inherente la misma insuficiencia que al puzolánico: adquiere lentamente la resistencia al principio del endurecimiento, sobre todo a bajas temperaturas. El proceso de endurecimiento del cemento portland de escorias se acelera de modo considerable al tratarlo térmicamente con vapor de agua, por esta razón conviene utilizarlo en estructuras prefabricadas curadas al vapor. También, se puede catalizar utilizando sustancias como el cloruro de calcio o el sulfato de sodio anhidro. A esto último se le denomina catálisis alcalina.

Prueba de Activación con Cemento Portland. La prueba se realiza siguiendo la norma ASTM C 989. La norma estipula la preparación de una mezcla de mortero patrón y una de mortero de prueba que contiene: 50 % de cemento ‐ 50 % de escoria, arena tri‐granular y agua hasta conseguir una fluidez definida. La calidad de la escoria ensayada es función de los valores obtenidos al calcularse el índice de actividad a los 28 días. Sí los valores están en 75%, 95% y 115%, se cataloga a la escoria como de grado N° 80, 100 y 120.

En general, el desarrollo de la resistencia es lento entre uno y siete días, comparándolo con la evolución del cemento de referencia. Entre 7 y 28 días, la resistencia de los morteros de prueba se acerca a la del cemento de control. Después de este período, la resistencia podría igualar e incluso exceder a la resistencia alcanzada por el mortero con el cemento de referencia.

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La resistencia a la temperatura del cemento portland de escorias es considerablemente más alta que la del cemento corriente, por eso se utiliza ampliamente para fabricar concretos refractarios.

6. LODOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Referente al uso (entre otros) de lodos procedentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales, estos fueron evaluados para desarrollar un material cementante que pueda utilizarce en la construcción de viviendas de interés social.

Nuestro trabajo no incinera lodos que tengan un potencial de metales pesados. En ese caso se ha trabajado con una nueva tecnología que es la de aglomeración con CO2 en estado supercrítico. Se han desarrollado tres tecnologías para el uso de los lodos, dependiendo de su composición potencial como material cementante o por su capacidad de lixiviar o emitir sustancias contaminantes. Las tres tecnologías son:

• Conglomeración por reacciones de hidrólisis

• Conglomeración por reacciones sílico calcáreas o activación alcalina

• Conglomeración por catálisis de la reacción de carbonatación de la cal mediante CO2 en estado supercrítico. Con esta última, en 4 años hemos graduado 3 estudiantes de maestría de ingeniería química. Este tema se trabaja con el Dr. Gustavo Bolaños de la escuela de IQ de Univalle.

Para trabajar los lodos con esta última tecnología, éstos se secan y se les elimina la materia orgánica, a una temperatura no mayor de 300 °C.

Para utilizar la 1° tecnología, es necesario definir la capacidad como conglomerante. Ello se inicia evaluando la microestructura del lodo (DRx). Sí el material posee una estructura con base en sílice y aluminio, se estudia la activación térmica entre 600 y 850 °C. Así podrá trabajarse con base en la reacción de hidrólisis similar a la de los cementos portland.

La segunda tecnología, plantea atacar la sílice del material utilizando hidróxido de calcio. La reacción se acelera con sustancias como el sulfato de sodio, el cloruro de calcio, en proporciones menores al 5%.

En todos los casos, lo que se produce es un nuevo material de alta resistencia y con una característica importante como es la impermeabilidad, lo cual permite que los metales pesados o sustancias lixiviables queden "encapsuladas" y no salgan al contacto con el agua.

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7. ¿CÓMO DIAGNOSTICAR SOBRE LA APTITUD DE UN RESIDUO PARA USO EN LA CONSTRUCCIÓN?

Para hacer cualquier diagnóstico en este sentido es necesario realizar una caracterización exhaustiva, que consta de los siguientes análisis:

• Análisis mineralógico por Difracción de rayos X (DRx)

• Análisis químico de óxidos (método gravimétrico, complexométrico, fluorescencia de rayos x, etc.)

• Densidad, gravedad específica, peso volumétrico, absorción, granulometría, impurezas orgánicas, aptitud a la molienda (prueba de bond), abrasión en máquina de los ángeles.

• Contenido de metales pesados, pruebas de lixiviación de metales.

• Contenido de sílice reactiva, ensayos mecánicos de reactividad con el cemento y la cal, ensayo de frattini.

Toda la muestra a ensayar deberá recolectarse previo diseño de un método de muestreo representativo que defina unos límites de confianza de los resultados (al menos el 95%) para dar una garantía de la calidad del estudio y de su reproducibilidad. El muestreo deberá contemplar las peores y mejores condiciones de operación del proceso. Así se establecerá la variabilidad de la calidad de los residuos, pues para aplicación futura deben manejarse como materias primas de calidad conocida.

Conseguido lo anterior, será posible plantear un diagnóstico para reconocer el potencial de uso de los subproductos, en particular en la elaboración de materiales de construcción.

Con los resultados será posible auscultará sí se pueden: preparar agregados para construcción, desarrollar adiciones útiles para optimizar el uso del cemento, producir de ladrillos o elementos de mampostería utilizando la técnica sílico calcárea o la de hidrólisis e incluso la de conglomeración con CO2 en estado supercrítico. Así mismo, se podrá reconocer si el material es apto para elabor estucos y acabados.

8. OTRAS CONSIDERACIONES

Los problemas económicos y ecológicos, unidos al avance de la Ciencia de los Materiales en los últimos 50 años, han inducido el empleo de extensores de clínker de cemento Pórtland, hecho que ha posibilitado el surgimiento de un grupo genérico de cementos conocido como “cementos compuestos” o “cementos

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mezclados”, que son una mezcla del cemento Pórtland ordinario con uno o más materiales inorgánicos que participan en la hidratación, y por tanto contribuyen a los productos de hidratación. Esta clasificación excluye aditivos que influyen en el proceso de hidratación, pero en sí no contribuyen a la mejora del producto.

Los materiales inorgánicos añadidos son denominados “adiciones minerales”. Estas adiciones pueden ser mezcladas y molidas íntimamente con el clínker en fábrica o mezcladas en obras a la hora de producir el concreto o mortero. Las adiciones minerales activas más comúnmente empleadas son las cenizas volantes, las escorias granuladas, la microsílice y las puzolanas naturales y artificiales.

De acuerdo con ASTM, las puzolanas son “materiales silíceos o aluminosos que por si mismos poseen poca o ninguna actividad hidráulica, pero que finamente divididos y en presencia de agua pueden reaccionar con Hidróxido de Calcio (Ca(OH)2 ) a temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes” (ASTM 618‐78).

Los materiales puzolánicos tienen generalmente un alto contenido de SiO2 y algunas veces también de Al2O3. Estos se presentan de forma general en una estructura vítrea, caracterizada por su baja cristalinidad. A veces presentan minerales inactivos, como cuarzo, feldespato, magnetita, etc., en variadas proporciones. Otras contienen sustancias orgánicas o arcillas, que podrían influir en el fraguado y endurecimiento del cemento. Las puzolanas, independientemente de su clasificación, reaccionan con los productos de reacción del cemento Pórtland, específicamente con la portlandita, para producir compuestos insolubles que contribuyen a la resistencia y durabilidad de la matriz aglomerada. Aunque su contribución como material aglomerante es su principal acción, la adición de puzolanas puede producir, además, otros efectos positivos sobre la mezcla.

La utilización de adiciones minerales de alta finura puede beneficiar al concreto. Los efectos pueden ser puramente físicos, como el complemento de la granulometría para las fracciones muy finas del concreto, o efectos físico‐químicos, como el producido por la reacción puzolánica. En ambos casos, el resultado final es similar: disminución de la porosidad y del tamaño de partícula. Estos fenómenos pueden modificar las propiedades reológicas del concreto en estado fresco, así como la resistencia y durabilidad del concreto endurecido.

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9. MECANISMOS DE ACCIÓN DE LAS ADICIONES MINERALES (1)

El papel de las cenizas volantes como agente reductor de agua es casi unánimemente reconocido por diversos autores que han trabajado el tema. El fenómeno se atribuye a la forma redondeada de las cenosferas y a la superficie lisa de las partículas, que ayudan a plastificar la mezcla sin necesidad de agua adicional. No obstante, esta información puede ser contradictoria si se tienen en cuenta los resultados similares obtenidos cuando se emplean otras adiciones, como las escorias y algunas cenizas agroindustriales, que a diferencia de las cenizas volantes, tienen forma irregular y superficie rugosa.

Algunos autores explican este fenómeno argumentando que el efecto de reducción de la demanda de agua puede ser provocado por los mecanismos de adsorción‐dispersión, de acción muy parecida a la de aditivos químicos dispersantes. Las partículas muy finas añadidas en las adiciones son adsorbidas en la superficie de los granos de cemento, que tienen carga opuesta, y de esta forma evitan la floculación de las partículas de cemento, que son entonces dispersadas, y pierden en parte la capacidad de retener grandes cantidades de agua. Así, el sistema reduce, de forma general, su demanda de agua para una determinada consistencia.

El efecto de empaquetamiento que se produce al incorporar partículas muy finas que ocupan los espacios vacíos entre los granos de cemento, también ayuda a disminuir la demanda de agua para lograr una determinada consistencia en las mezclas. Esto ocurre para tamaños de granos inferiores a las 50 µm, los que son capaces de llenar los espacios vacíos entre granos de cemento. Se descarta la contribución de los granos muy finos de cemento, puesto que ellos son disueltos al comienzo de la reacción. En este caso, las adiciones minerales, sean activas o inertes, pueden actuar como micro agregados.

La presencia de partículas muy finas de las adiciones ayuda además a contrarrestar el debilitamiento que se produce en la zona de transición entre el árido grueso y la pasta de gel, aparentemente la principal causa de la micro fisuración de la matriz de concreto. La causa es la alta porosidad de los productos formados en esta zona, básicamente grandes cristales de hidróxido de calcio y ettringita, producidos a una alta relación a/c, que tiene su origen en el exceso de agua retenida, debido al efecto de pared del árido grueso. Los finos granos de las adiciones ocupan los espacios vacíos y ayudan a disminuir la cantidad de agua retenida, y de esta forma reducen la relación a/c en la zona de transición.

1 Martirena, F., “Tesis Doctoral: Una alternativa ambientalmente compatible para disminuir el consumo de aglomerantes de clínker de cemento Pórtland: el aglomerante cal-puzolana como adición mineral activa”, La Havana, Cuba, Febrero 2004.

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Uno de los efectos más conocidos de las adiciones minerales puzolánicas es el refinamiento de los poros capilares. En un primer momento de la hidratación, predomina el efecto de empaquetamiento, ya que las partículas finas que aún no reaccionan se acomodan en los espacios libres entre los granos de cemento. A medida que avanza la reacción de hidratación, aparecen las condiciones para que ocurra la reacción puzolánica. Los productos de la reacción puzolánica ocupan los espacios creados por los poros capilares, cuyo diámetro se reduce considerablemente. La proporción de poros de gel aumenta, mientras que los capilares disminuyen. Se considera que esta es la causa de la baja permeabilidad de concretos fabricados con adiciones minerales puzolánicas, que se reporta en algunos casos de hasta en tres órdenes de magnitud en relación a pastas idénticas fabricadas con cemento Pórtland con la misma relación agua/sólidos.

Para determinar la verdadera capacidad de una puzolana para reaccionar con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente, es necesario desarrollar un estudio cuidadoso de la reacción puzolánica en todos sus estadios, y verificar de diversas formas que evidentemente se están formando productos estables de reacción con capacidad aglomerante. Para esto se requiere combinar el análisis de resultados de varios métodos analíticos de investigación. Se propone una metodología que pretende resolver, de forma práctica, este problema.

La metodología desarrollada y propuesta se basa en la realización de una serie de pruebas que permiten pronosticar la capacidad de la puzolana para producir productos estables cuando reacciona con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente.

Los ensayos a realizar son:

a. Evolución del contenido de Hidróxido de Calcio en el tiempo: se monitorea el avance de la reacción de hidratación mediante la medición de la cantidad de cal que se ha combinado. La desaparición de la cal en la pasta indica que ha reaccionado de alguna forma con las sustancias presentes, para formar productos de reacción. Básicamente podrían producirse dos reacciones: a) combinación con la puzolana para formar los productos de la reacción puzolánica, o b) combinación con el CO2 del aire para formar carbonato de calcio, si la superficie de la pasta no se protege suficientemente. Si a los 28 días desaparece la mayor parte de HC sin combinar, la puzolana evaluada presuntamente es reactiva. Esto, sin embargo, no necesariamente quiere decir que una vez molida y mezclada con cal aporte resistencia. En sentido contrario, la prueba es concluyente: si a 28 días quedan aún muestras evidentes de cal sin reaccionar, la puzolana es poco reactiva, y debe ser rechazada.

b. Evolución de la estructura de poros en pastas: los cambios en la estructura de poros se deben orientar hacia un refinamiento de la red de estos, con incremento de la proporción de poros de gel a costa de disminuir la proporción

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de los capilares, y en algunos casos, a una leve disminución de la porosidad total. Esto se produce porque los productos de reacción se precipitan en la superficie de los granos ricos en sílice y van ocupando los espacios vacíos entre los granos de cemento y puzolana. A medida que avanza la reacción, los nuevos productos continúan expandiéndose, y llegan a ocupar parcialmente los poros capilares. Este proceso matiza la madurez de la reacción; también se caracteriza por una reducción del tamaño de poros capilares, por similares razones.

Se considera que si a los 28 días no se hace evidente un significativo aumento de la proporción de poros de gel y la consecuente disminución de la proporción de poros capilares, es muy probable que la puzolana no haya reaccionado suficientemente con la cal añadida, aunque el monitoreo del CH haya arrojado una desaparición de este material.

En este caso, se puede pronosticar que la puzolana no es reactiva. Por el contrario, si los cambios esperados se manifiestan, el investigador cuenta con más evidencias para confirmar la actividad de la puzolana, aunque los dos ensayos hasta ahora descritos no son aun suficientes. Es necesario comprobar por observación microscópica si en realidad se forman productos de reacción.

c. Observación de la morfología de los productos de reacción: La observación de secciones pulidas en el Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) puede brindar importante información acerca de la morfología de los productos de reacción, y también sobre la composición de las diferentes fases presentes. Si a los 28 días de edad la observación de las muestras de pastas no arroja suficientes evidencias de morfologías de los productos de la reacción puzolánica, no es posible afirmar que se haya producido esta reacción. Si por el contrario se verifica la presencia de las morfologías esperadas, es necesario aun verificar si esto se refleja en un aumento de la resistencia mecánica, prueba que es definitoria sobre la reactividad de una puzolana.

d. Resistencia mecánica en pastas y morteros: la resistencia mecánica es la evidencia más consistente de la ocurrencia de una reacción hidráulica cuando la cal y la puzolana son molidas íntimamente y humedecidas. Para verificarla, los prismas experimentales se someten a ensayos a compresión, a los 7 y 28 días. Las muestras ensayadas deben exhibir resistencias superiores a los 2 MPa a los 7 días, y mayores que 4 MPa a los 28 días.

10. ¿POR QUÉ LA MOLIENDA GENERA ACTIVIDAD O PROPIEDAD CEMENTANTE EN UN MATERIAL?

Mucho material tienen propiedades latentes como puzolana, estas solo se manifestarán cuando se reduce el tamaño hasta conseguir una superficie específica

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apropiada. Cada material de acuerdo a su actividad latente tiene una finura óptima de activación. Ocurre igual que en el clinker de cemento portland, que al salir del horno rotatorio y enfriarse es prácticamente inerte si no se lleva a una finura apropiada. Incluso, si la molienda del cemento es gruesa o más fina, de una misma calidad de clinker se obtienen diferentes propiedades en el cemetno.

En 1961 se encontró que la reacción entre la sílice y el calcio en solución dependía principalmente de la capacidad de disolución de la sílice. La mayoría de las puzolanas son silíceas tal que la reacción puzolánica a edades tempranas en una mezcla de cal ‐ puzolana esta determinada por la velocidad de disolución de la sílice reactiva contenida en la puzolana. Cuando el pH de la solución es mayor a 11, la polimerización (proceso inverso a la disolución) se considera despreciable, entonces la velocidad de disolución dependerá mayormente de la superficie específica de la sílice. Así, en una solución de hidróxido de calcio, pH ≈ 12.5, la sílice disolverá a una velocidad proporcional a su superficie específica

11. ¿QUÉ PASA CON LAS ESTRUCTURAS MOLECULARES SI NO ESTÁN ACTIVAS LAS PUZOLANAS?

Para que una puzolana se encuentre activada, su microestructura debe contener un volumen importante de vidrios, esto es materiales amorfos de carácter lábil capaz de reaccionar con hidróxido de calcio a temperatura ambiente. Este carácter de vidrio se consigue, cuando un material sílico‐aluminoso de estructura cristalina es llevado a una temperatura adecuada para que haya la separación de la sílice y el aluminio presentes y luego por enfriamiento brusco congelar el sistema creando la vitrificación del mismo.

Un ejemplo, es un volcán arrojando sus cenizas al aire en spray, como micro‐gotas fundidas, de un mineral silico‐aluminosos que se enfría bruscamente al contacto con la temperatura ambiente. O también, la manera como en una caldera el hogar alcanza la temperatura de activación de los minerales que conforman la ceniza y estos permanecen a esa temperatura durante un tiempo de residencia definido. Luego, la ceniza se enfría bruscamente en una corriente de aire o de agua, estableciendo el congelamiento del sistema, obteniendo la activación del material. Un mineral silico‐aluminoso que no presente una fase vítrea será un mineral inerte desde el punto de vista de una puzolana.

Térmicamente es posible acelerar el desarrollo de la reacción puzolánica, al curar conjuntamente a temperatura y humedad alta (> 95% de Hr), productos preparados con adiciones de puzolanas de baja reactividad. En el fondo, este es el principio de la reacción sílico‐calcárea con la cual se elaboran productos como el denominado "sand lime brick".

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¿QUÉ PASA CON LAS ESTRUCTURAS MOLECULARES CUANDO SE ACTIVAN CON UN CATALIZADOR?

La activación química tiene como objeto mejorar la reactividad de una puzolana activa, particularmente a edades tempranas, mediante un tratamiento químico generalmente ácido. El grado de activación depende de la concentración del ácido que reacciona en buena forma en la región de la concentración 10N en el caso del ácido clorhídrico. Se atribuye el efecto de aceleramiento o activación adicional, a la formación de gel de sílice reactivo y no a cualquier incremento de la superficie específica de la puzolana. El tratamiento ácido incrementa la reactividad puzolánica en aquellas con bajo contenido de calcio (tipo F). Este método es costoso y peligroso.

A partir de esto se encontró la activación alcalina de las puzolanas o mejor, de las pastas o de concretos elaborados con puzolanas. Esta activación alcalina se ha estudiado utilizando: NaOH, SO4Ca, CaCl2, Na2SO4. Llegar a este punto requiere que se conozca sí el material puzolánico supuesto se ha llevado al máximo posible de activación mecánica o térmica.

12. UN EJEMPLO SOBRE COMO SE REDUJERON LOS COSTOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE VIVIENDA DE INTERES SOCIAL

Se trata del proyecto entre la Federación Nacional de Vivienda Popular (FENAVIP) y la Corporación Construir. En este se plantearon los siguientes desarrollos:

Optimización del diseño de mezcla para la prefabricación de bloques de concreto. Reducción de costos de producción en cuanto a la aplicación de tecnologías innovadoras en uso de materiales y forma de curado.

Optimización de los diseños de mezclas para la prefabricación de prelosas (3.000 psi). Reducción de costos de producción en cuanto a la aplicación de tecnologías innovadoras en uso de materiales y forma de curado.

Optimización del diseño de mezcla para la elaboración de concreto de cimentación (3.000 psi). Reducción de costos de producción en cuanto a la aplicación de tecnologías innovadoras en uso de materiales.

Optimización del diseño de mezcla para la elaboración de concreto de sobrepiso (2.500 psi). Reducción de costos de producción en cuanto a la aplicación de tecnologías innovadoras en uso de materiales.

Optimización del diseño de mezcla para la elaboración de morteros de mampostería. Reducción de costos de producción en cuanto a la aplicación de tecnologías innovadoras en uso de materiales.

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Optimización del diseño de mezcla para la elaboración de morteros de inyección (Grouts). Reducción de costos de producción en cuanto a la aplicación de tecnologías innovadoras en uso de materiales.

Los resultados conseguidos se narran brevemente a continuación.

BLOQUES.

Fenavip, en proyectos ejecutados en ciudades diferentes a Santiago de Cali, ha producido bloques de concreto con un consumo promedio de 2,1 kg de cemento portland (Tipo I) por bloque. Esta cantidad de cemento les aseguraba la resistencia que exige la norma sismo resistente del 98 (NSR – 98), para la construcción con bloques estructurales (80 kg/cm2).

La CORPORACIÓN CONSTRUIR, en sus desarrollos logró optimizar las mezclas con una disminución significativa del consumo de cemento por bloque. Se hizo el desarrollo utilizando 0,5 kg de cemento portland (Tipo III) por bloque e incorporando adiciones activas e inertes. Con esta dosificación se cumplió con las especificaciones exigidas por la NSR – 98, para construir VIS con muros estructurales en bloques.

La cantidad total utilizada de material cementante (cemento + adiciones), fue de 1,2 kg por bloque. Los bloques fabricados con esta metodología alcanzaron la resistencia especificada a 28 días entre los 7 y los 14 días. Los bloques se curaron hidrotérmicamente en un invernadero a 50 °C, con una humedad relativa mínima del 85 % .

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PRELOSAS.

La cantidad de cemento utilizada por FENAVIP para elaborar concretos de 3.000 psi, era de 7 sacos (350 kg/m3 de concreto).

La Corporación Construir, optimizó el diseño de mezcla con el método de los mínimos espacios vacíos. Así se diseñaron concretos de 3.000 psi con 270 kg de cemento portland tipo III y se incorporaron 70 kg de adición, todo por m3 de concreto. Con esta dosificación se garantizó la resistencia especificada.

En estos elementos se empleó un superplastificantes con el cual se controló la relación a/c y así, se aseguró la impermeabilización de la prelosa. La cantidad de aditivo utilizada fue 1,5 % del peso del cemento, esto fue 4 kg por m3 de concreto.

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CONCRETO DE CIMENTACIÓN.

Según los requerimientos de diseño, la cimentación requería concretos de 3.000 psi. Para satisfacer los requerimientos de resistencia, utilizaban 350 kg de cemento por m3 de concreto. Así mismo, para el sobrepiso utilizaban 300 kg de cemento por metro cubico de concreto. Con esta cantidad de cemento conseguían 2.500 psi de resistencia a compresión.

En el desarrollo realizado por CONSTRUIR se diseñaron concretos de 3.000 psi con la utilización de 270 kg de cemento más 70 kg de adición, para un total de 340 Kg de cementante por m3 de concreto. En el caso de los concretos para sobrepisos, se utilizaron 240 kg de cemento más 80 kg de adición, consiguiéndose concretos de 2.500 psi a los 28 días.

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MORTERO PARA PEGA DE MAMPOSTERÍA

En el diseño de los morteros de pega la proporción utilizada por de FENAVIP, era 1: 3 (cemento:arena), con un consumo promedio de 453 kg de cemento por m3 de mortero. Estos morteros tienen una retención de agua del 45% cuando la norma exige mínimo 75%.

Se diseñaron y utilizaron morteros dosificados con 151 kg de cemento y 151 kg de adición por m3. Esta adición contribuye a mejorar la calidad del mortero en cuanto a su capacidad de adherencia, trabajabilidad y retención de agua. Los morteros alcanzaron un valor de retención del 80%. Además, el peso del mortero se redujo en 290 kg/ m3.

GROUTING

En el diseño del groutin las dosificaciones originales de Fenavip, tenían un consumo de 350 kg de cemento/m3, para una resistencia de 2.000 psi.

En las dosificaciones diseñadas por CONSTRUIR, se trabajó con un consumo de 189 kg de cemento y una adición de 126 kg, por m3. El grouting diseñado cumplió con las exigencias de trabajabilidad y el cálculo estructural de las viviendas.

RESPUESTAS DADAS SOBRE PREGUNTAS RELATIVAS A … el tema de los Ecomateriales... · del cemento...

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