1. ABORDANDO EL TEMA DE LOS ECOMATERIALES DESDE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGIA 1.1. INTRODUCCION. REFLEXIONES SOBRE LOS ECOMATERIALES:
En Colombia la producción industrial de los Ecomateriales. Con estos productos se han construido hasta la fecha, 240 apartamentos y 620 viviendas de interés social en varios lugares del país. A la fecha se tiene expectativas de construir en los próximos dos años 1.200 viviendas de interés social. También en el 2004 y en 12 barrios de la ciudad de Vijes, 2 en el Valle del Cauca, se hicieron 12.000 m de pavimento rígido. Otro producto desarrollado es el Ecocemento, (mezcla de dos puzolanas - natural y artificial -, cal y un aditivo), para sustituir entre el 25 y el 50 % del cemento portland en la elaboración de productos prefabricados y de concretos en obra. Todos los productos elaborados con los diferentes tipos de residuos industriales empleados superaron los estudios de durabilidad recomendados por las normas técnicas. Los residuos con los cuales han t rabajado 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. Escorias de Ferro Níquel (Cerromatoso) 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 y aluminio. Lodos de plantas de aguas residuales urbanas, lodos de industrias químicas.
Para fabricar 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 m aterial, 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. ¿Qué proceso de mezcla y confinamiento utilizará para elaborar e l producto? 5. Sí son mezclas secas, ¿cómo controlará el contenido de humedad?, ¿Dispone de un equipo VB para controlar la reo logía 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? Responder a estos interrogantes es básico para conseguir resultados exitosos acordes con las especificaciones de las normas técnicas y los códigos de construcción. La activación de los materiales potencialmente cementantes requiere de trabajarlos en al menos dos de las siguientes situaciones:
Desarrollar estas formas de activación (al menos dos) de forma correcta significa el éxito o el fracaso total de cualquier producto que se supone activado. En el mundo moderno, la activación química toma una gran importancia con la catálisis alcalina de los residuos. Otro tema de fundamental importancia es conseguir que el tamaño de partícula sea inferior a 8,0 µm. Entre más fino mejor. Ello implica sí es necesario, pasar del micro mundo (10-6 m) al nano mundo (10 -9 m). 1.2. LA CENIZA GRUESA DE CARBON 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. Tratada de esta manera, se usa como adición puzolánica en la producción de cemento y en la producción de concretos. 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.. 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: c ao lin it a , monmorrillonita, álcalis, etc. Esto es función de la variabilidad de la calidad del carbón o de la fuente de suministro.
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
más
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.
1.3. SOBRE LA ELABORACION DE ECOLADRILLOS CON RESIDUOS:
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 CO 2 en estado supercrítico. 1.4. 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 conglomerante que puede funcionar por si sólo o al combinarla con alguna cantidad de cemento portland, se pueden ejecutar obras de pequeño nivel. 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.
1.5. LOS CEMENTOS SIDERURGICOS O DE ESCORIA SIDERURGICA ( 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. 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. 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.
1.6. 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 utilizarse 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 car bonatación 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 I Q de Univalle.
1.7. ¿Cómo DIAGNOSTICAR SOBRE LA APTITUD DE UN RESIDUO PARA EL USO DE LA CONSTRUCCION?
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,
complexo métrico,
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. 1.8. OTRAS CONCIDERACONES:
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 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 e n sí no contribuyen a la mejora del producto. 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). 1.9. MECANISMO DE ACCION DE LAS ADICIONES MINERALES:
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.
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. 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 de los capilares, y en algunos casos, a una leve disminución de la porosidad total. 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. 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. 1.10.
¿Por qué LA MOLIENDA GENERA ACTIVIDAD O PROPIEDAD CEMENTANTE EN UN
MATERIAL?
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 está 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. 1.11.
¿Qué PASA CON LAS ESTRUCTURAS MOLECULARES SI NO ESTAN 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. 1.12.
¿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.
2. ELABORACION DE UNA PROPUESTA. “ABORDANDO EL TEMA DE ECOMATERIALES DESDE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGIA”
2.1. LOS ECOMATERIALES:
Residuos con los cuales podemos optar por un tema de proyecto de investigación: • Cenizas de carbón o de la incineración controlada de materiales veget ales tales
como: cáscara de arroz, bagazo de caña de azúcar, cáscara de café. • Escorias de acerías o de siderúrgica de alto horno. Escorias de Ferro Níquel
(Cerromatoso) • 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 y aluminio. • Lodos de plantas de aguas residuales urbanas, lodos de industrias químicas.
Productos a partir de residuos, cuyas propiedades satisfagan las Exigencias de las normas. 2.2. LA CENIZA GRUESA DE CARBON 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. Tratada de esta manera, se usa como adición puzolánica en la producción de cemento y en la producción de concretos. 2.3. LA ELABORACION DE ECOLADRILLOS CON RESIDUOS:
La producción de los ecoladrillos se basa en e l 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.
2.4. SOBRE LAS CENIZAS DEL BAGAZO Y SUS POSIBILIDADES DE USO:
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. 2.5. LOS CEMENTOS SIDERURGICOS O DE ESCORIA SIDERURGICA ( 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 e scoria por otro aditivo mineral activo. 2.6. LODOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES: • 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.
