República de Cuba Universidad Central ´´Marta Abreu´´ de ...

República de Cuba

Universidad Central ´´Marta Abreu´´ de las Villas

Facultad de Construcciones

Departamento de Ingeniería Civil

Trabajo de Diploma

Evaluación de arcillas de bajo grado de caolinita del depósito El Yigre para la

producción de cemento de bajo carbono

Autor: Sandy Siverio Fernández

Tutores: Ms. C. Roger S. Almenares Reyes

Dr. C. Adrián Alujas Días

Santa Clara

2016

PENSAMIENTO

I

PENSAMIENTO

"Para investigar la verdad es preciso dudar, en cuanto sea posible, de todas las

cosas, una vez en la vida."

René Descartes

DEDICATORIA

II

En especial a mi mamá, aunque ya no me acompañe es la razón de todos mis

logros.

A mi papá y mi hermana por todo su amor y confianza.

AGRADECIMIENTOS

III

A Adrián quien a pesar de ser ilocalizable encontró momentos para brindarme

su inmensa sabiduría.

A Roger quien a pesar de la distancia, me brindo consejo y ayuda sin límites.

A Arcial por brindarme sus conocimientos.

A Felipito por su ayuda durante los días de muestreo.

A Diana quien siempre me brindó su ayuda de manera incondicional.

A Lizabeth por su ayuda, confianza y apoyo durante las innumerables intentos

para montar las calorimetrías.

A Molineda, Anisleidys, a los trabajadores del CQA y a todas las personas

que de una forma u otra me ayudaron durante la fase experimental.

A Javier y Adrián quienes son mis hermanos y les debo años inolvidables y

momentos únicos.

A todos mis amigos del 204: Jose, Yunior, Yandri, Pernús y Nazco quienes

fueron familia durante estos 5 años.

A toda mi familia y amigos quienes durante momentos difíciles me brindaron

apoyo y ayuda.

A todos les estoy infinitamente agradecido.

RESUMEN

III

Resumen

En este trabajo se presentan los resultados de la evaluación de la influencia de

las características químicas y mineralógicas de las arcillas del depósito El Yigre

sobre la reactividad puzolánica de sus productos de calcinación. Las materias

primas y materiales calcinados se caracterizaron por DRX, ATG, pruebas de

humedad natural y métodos gravimétricos y granulometría láser. La calcinación

de arcillas se realizó a 750ºC, 800ºC y 850ºC para estudiar la influencia de la

temperatura de calcinación. La evaluación de la reactividad puzolánica se realiza

a través de Calorimetría isotérmica en pastas de cal-puzolanas (Protocolo R3) y

resistencia a la compresión en mortero con 30% sustitución de CPO por arcillas

calcinadas. El contenido de caolinita de las muestras ensayadas varía entre

43,44 y 33,82%, y el contenido de calcita oscila entre 30,45 y 5,10%. Los mejores

valores de reactividad puzolánica se obtuvieron para muestras calcinadas entre

750 y 800ºC en todos los casos, especialmente de las muestras compósitos YG-

C1 y YG-C2, con mayor contenido de caolinita. Los resultados de las pruebas de

resistencia a la compresión a los 28 días obtenidos muestran que los productos

hechos con la serie de calcinación de arcillas 750 y 800ºC exceden los valores

de la serie de referencia en todos los casos.

ABSTRACT

III

In this paper the results of the evaluation of the influence of chemical and

mineralogical characteristics of kaolinitic clays from the clay deposit El Yigre on

the pozzolanic reactivity of its calcination products is discussed. The raw and

calcined materials were characterized by XRD, ATG, natural moisture tests and

gravimetric methods and laser granulometry. The calcination of clays was carried

out at 750ºC, 800ºC and 850ºC to study the influence of calcination temperature.

The assessment of the pozzolanic reactivity was done through Isothermal

Calorimetry in lime-pozzolans pastes (R3 protocol) and compressive strength in

mortar with 30% replacement of CPO by calcined clays. The content of kaolinite

for the tested samples ranges from 43.44 - 33.82%, and the calcite content

ranges from 30.45 - 5.10%. Best values for pozzolanic reactivity were obtained

for samples calcined between 750 and 800ºC in all cases, especially for the

composites samples YG-C1 and YG-C2, with higher kaolinite content. The results

of compressive strength tests at 28 days obtained show that the products made

with the series of calcination of clays 750 and 800ºC exceed the values of the

reference number in all cases.

ÍNDICE

V

Introducción .............................................................................................. 7

Capítulo I: ``Arcillas calcinadas como materiales cementicios

suplementarios´´ .................................................................................... 12

1.1 Tendencias actuales en la producción de CPO. ...................... 12

1.1.1 Producción de CPO caso Cuba......................................... 15

1.1.2 Proceso de producción de CPO .......................................... 17

1.1.3 Reducción del factor clínquer ............................................... 19

1.2 Los Materiales Cementicios Suplementarios (MCS) ............... 21

1.2.1 Efecto de las puzolanas ........................................................ 22

1.3 Arcillas clasificación, características y origen ........................... 25

1.3.1 Las arcillas calcinadas como MCS ...................................... 28

1.3.2 Activación térmica.................................................................. 29

1.3.3 Reacción puzolánica ............................................................. 31

1.3.4 Métodos para determinar de reactividad puzolánica ......... 33

1.4 Perspectivas del empleo de las arcillas calcinadas como MCS

en Cuba ............................................................................................... 35

1.5 Conclusiones parciales del capítulo. ......................................... 37

Capítulo II: ``Materiales y métodos´´ ................................................... 38

2.1 Caracterización del yacimiento .................................................. 38

2.2 Muestreo ....................................................................................... 40

2.3 Caracterización de la materia prima .......................................... 41

2.5 Caracterización granulométrica de los productos de

calcinación ........................................................................................... 43

2.6 Evaluación de la reactividad puzolánica de los productos de

calcinación ........................................................................................... 43

2.6.1 Evaluación de la reactividad puzolánica mediante

Calorimetría Isotérmica (Protocolo R3) ......................................... 43

2.6.2 Evaluación de la reactividad puzolánica mediante ensayos

de resistencia a la compresión en morteros normalizados ........ 45

Capítulo III: ¨Análisis y discusión de los resultados¨ ......................... 47

ÍNDICE

VI

3.1 Caracterización de la materia prima .......................................... 47


calcinación. ...................................................................................... 51


calcinación. ......................................................................................... 53

3.3.1 Calorimetría Isotérmica (Protocolo R3). .............................. 53

3.3.2 Comportamiento físico-mecánico en morteros

estandarizados. ............................................................................... 54

3.4 Conclusiones parciales del capítulo. ......................................... 57

CONCLUCIONES GENERALES ......................................................... 58

RECOMENDACIONES ......................................................................... 59

Referencias Bibliográficas .................................................................... 60

CAPÍTULO I. ¨ARCILLAS CALCINADAS COMO MATERIALES CEMENTICIOS SUPLEMENTARIOS¨

7

Introducción

En la actualidad donde el desarrollo socioeconómico demanda la construcción

de una infraestructura que se encuentre a la altura de las necesidades, el

cemento Portland juega un papel fundamental. Este es el material de

construcción más usado en el mundo debido a la abundancia de materias primas

para la fabricación del mismo y su versatilidad (Tironi A., 2013). Durante la

manufactura de cemento, se calcula que del total de emisiones de 𝐶𝑂2 alrededor

del 60 % es causado por la descarbonatación de las materias primas en la

producción de clínquer, y el restante 40 % proviene de la quema de combustible

y el consumo de energía eléctrica (Vizcaíno, 2014). Lo cual lleva a la necesidad

de la disminución de las emisiones de 𝐶𝑂2 mediante la reducción de la cantidad

de clínquer en los cementos Portland.

El empleo de adiciones minerales con carácter puzolánico, o puzolana ha sido

hasta el momento la solución empleada por los productores de cemento, lo que

incrementa la resistencia mecánica y la durabilidad en los hormigones

(Martirena, 2003). A su vez la utilización de materiales cementicios

suplementarios, favorece la disminución en el empleo de energías no renovables

y contribuye a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero por cantidad

de aglomerante (Habert, 2009).

El desarrollo y aplicación de los materiales puzolánicos en la fabricación de CPO

ha sido hasta ahora una estrategia desarrollada sobre todo a partir de las

características propias de los países industrializados. Sin embargo, el consumo

del aglomerante, en los últimos años, se ha desplazado hacia las naciones

menos industrializadas. Esto implica el desarrollo de tecnologías y estrategias

que permitan la obtención y empleo de materiales puzolánicos bajo las

condiciones propias de los países en vías de desarrollo (Alujas, 2010).

Las cenizas volantes, las escorias de altos hornos y el humo de sílice se

encuentran dentro de las puzolanas de más amplia utilización, pero todos estos

materiales derivan de procesos y tecnologías industriales no siempre

disponibles. Por tales motivos existe un creciente interés en la búsqueda y

desarrollo de nuevas como fuentes de materiales puzolánicos. Entre la amplia

variedad de materiales que pueden ser empleados como adiciones puzolánicas,

existe creciente interés en el empleo de las arcillas activadas térmicamente, por


8

su amplia disponibilidad al estar ampliamente diseminados por toda la corteza

terrestre, relativa facilidad de tratamiento al ser activadas mediante procesos

térmicos que requieren mucho menos energía que la demandada por la

elaboración del clínquer y demostradas propiedades puzolánicas una vez

calcinadas bajo condiciones específicas (Murray, 2000) (Souza, 2005).

En Cuba en la década de los 80 se realiza el Levantamiento Geológico 1:50000

Las Villas II y Búsquedas acompañantes Cuba-Bulgaria. Ellos reportaron las

arcillas caoliníticas investigadas por nosotros en una franja de 120 Km de largo

en la porción norte de las hojas 1:25000 Remedios, Dolores, Yaguajay y

Chambas. En este trabajo se realizaron 32 pozos de perforación que atravesaron

todo el corte de las arcillas, fueron muestreados y analizados químicamente

indicando la presencia del mineral Halloysita, clasificando las arcillas como

caoliníticas con altos contenidos de 𝐴𝑙2𝑂3, calculando un volumen total de

Recursos Hipotéticos en la región de 170 millones de Ton.

Posteriormente en el año 2015 se realizó un estudio del depósito arcilloso El

Yigre (Yaguajay) debido a que este se encuentra a 60 km de la planta Cementos

de Siguaney y posee una reserva hipotética de 11 millones de toneladas, pero

solo se muestreó el compósito YG2. El cual expuso como resultado que esta

arcilla posee una mejor reactividad a una menor temperatura, debido a los

contenidos de calcita que posee. Pero todo ello no es suficiente ya que aún no

se ha realizado un estudio detallado de todo el yacimiento que exponga

realmente sus potencialidades en la producción de cemento LC3. Por lo cual es

necesario un muestreo más serio, que abarque dentro de lo posible una mayor

parte del yacimiento.

Teniendo en cuenta todo lo expuesto anteriormente y las características propias

de nuestro país donde urge la necesidad de potenciar investigaciones enfocadas

en la explotación de nuevas fuentes de materiales puzolánicos que permitan la

producción de aglomerantes en cantidades suficientes y a un costo asequible

desde el punto de vista económico, energético y medioambiental, debe centrarse

la atención en el estudio y empleo de las fuentes de materiales localmente

disponibles, en particular, aquellas que permitan su utilización como fuente de

materiales puzolánicos.


9

Valorando la disponibilidad de estas materias primas arcillosas y la posibilidad

de utilizarlas activadas térmicamente como materiales cementicios

suplementarios, se formula el siguiente problema científico de la

investigación: ¿Cuáles son las potencialidades del depósito arcilloso El Yigre

para su empleo como fuente de materiales cementicios suplementarios en la

producción de aglomerantes de base clínquer – caliza – arcilla calcinada – yeso

en la fábrica de Cementos Siguaney?

Hipótesis: La caracterización de la composición del depósito arcilloso El Yigre y

determinación de la reactividad de sus productos de calcinación permite su

valoración como fuente de materia prima en la obtención de materiales

cementicios para la producción de aglomerantes de base clínquer – caliza –

arcilla calcinada – yeso en la fábrica de Cementos Siguaney.

El objeto de estudio del presente trabajo son los productos de la calcinación del

material arcilloso del depósito El Yigre.

Campo de acción: Propiedades puzolánicas de los productos de la calcinación

del material arcilloso del depósito El Yigre.

Objetivo General: Evaluar la influencia de la composición de las materias primas

existentes en el depósito arcilloso El Yigre sobre la reactividad puzolánica de sus

productos de la calcinación.

Objetivos específicos:

1. Caracterizar química y mineralógicamente los diferentes compósitos del

yacimiento arcilloso El Yigre.

2. Evaluar la influencia de la composición química y mineralógica en la

reactividad puzolánica de los productos de calcinación de los diferentes

compósitos del yacimiento arcilloso El Yigre.


10

3. Evaluar la influencia de la temperatura de calcinación en la reactividad

puzolánica de los productos de calcinación de los diferentes compósitos

del yacimiento arcilloso El Yigre.

Tareas de la Investigación

Búsqueda y análisis de la literatura científica relacionada con el empleo

de arcillas calcinadas en la elaboración de aglomerantes con altos

volúmenes de sustitución de clínquer (LC3).

Selección, toma y preparación de las muestras.

Caracterización de los materiales arcillosos.

Activación térmica de las arcillas a 750, 800 y 850ºC.

Evaluación del potencial reactivo de materiales arcillosos del depósito El

Yigre a partir de su composición química – mineralógica.

Evaluación de la reactividad de los productos de calcinación obtenidos en

morteros estandarizados 70/30.

Evaluación de la reactividad puzolánica de los productos obtenidos en

pastas de acuerdo al protocolo R3.

Valoración de las perspectivas de utilización de las arcillas del depósito El

Yigre como fuente de materiales cementicios suplementarios en la

producción de aglomerantes de base clínquer – caliza – arcilla calcinada

– yeso.

Aporte científico-técnico

Determinación de la influencia de la temperatura de activación térmica de

las arcillas del depósito arcilloso el Yigre para la obtención de materiales

puzolánicos de alta reactividad.

Evaluación de la composición del depósito arcilloso El Yigre sobre la

reactividad de sus productos de calcinación para su futura utilización

como fuente de materia prima en la producción de cemento de la fábrica

de Cementos Siguaney.


11

Justificación de la investigación

Estudios previos muestran contenido promedio 27.14% de Al2O3 y 40%

de minerales caoliníticos Halloysita y Caolinita.

Los resultados del ensayo Resistencia a la Compresión del cemento

fabricado con ellas superaron al exigido por la norma cubana para el

cemento PP-25.

El yacimiento arcilloso el Yigre se encuentra a 60 Km al norte de la planta

Cementos Siguaney y posee una reserva hipotética de más de 10 millones

de toneladas lo cual permitiría abastecer la planta Cementos Siguaney

por un periodo mayor de 20 años al ritmo de consumo actual.

Estructura del trabajo

Capítulo I: ¨ Arcillas calcinadas como materiales cementicios suplementarios ¨,

donde se sistematiza sobre consideraciones teóricas en el empleo de los

materiales puzolánicos y la necesidad de búsqueda en el desarrollo de nuevas

fuentes de estos materiales; así como las principales características de las

arcillas y su relación con los procesos de activación térmica y el desarrollo del

carácter puzolánico; analizando además el caso Cuba.

¨Materiales y métodos¨, donde se exponen los métodos y

procedimientos utilizados en la selección, procesamiento y calcinación de las

fracciones arcillosas multicomponentes.

¨Análisis y discusión de los resultados¨, donde se comentan las

principales características de las materias primas utilizadas, y se evalúan los

efectos de la composición química y mineralógica en la reactividad y los efectos

de la temperatura en la reactividad.

Conclusiones, Recomendaciones y Anexos.


12

Capítulo I: ``Arcillas calcinadas como materiales cementicios

suplementarios´´

1.1 Tendencias actuales en la producción de CPO.

El cemento Portland (CPO), resultado indiscutible del ingenio humano, es hoy

día uno de los materiales de construcción más empleados a escala global y se

prevé que permanezca así durante los próximos 50 años (Aitcin, 2000). Su

uso universal en prácticamente todos los trabajos de la construcción, su costo

relativamente bajo, la posibilidad de su producción industrial masiva y los buenos

resultados obtenidos en sus aplicaciones han sido la causa de que hoy en día

este aglomerante haya desplazado a todos los que le antecedieron, que han

quedado relegados a aplicaciones menores en trabajos de albañilería (Martirena,

2003).

Este es el principal constituyente del hormigón, sustancia más consumida a nivel

mundial después del agua. Todo ello se debe a que la sociedad requiere una

infraestructura que se encuentre a la altura de las necesidades debido al

aumento de la población mundial y el desarrollo de las llamadas economías

emergentes. Aunque se le reconoce por haber sido uno de los elementos que

más ha contribuido al desarrollo de la humanidad y hoy se le asocia con el nivel

de desarrollo de un país, su proceso productivo se basa en la explotación de

recursos no renovables (materias primas y combustibles) lo cual lo convierten en

uno de los principales responsables de la degradación del medio ambiente del

planeta (Aitcin, 2000) (Hendriks, 1998) (Vanderley, 2002), al punto de que

llegase a ser el responsable de aproximadamente el 7% de emisiones de 𝐶𝑂2 a

la atmósfera (Macphee D. E., 2010).

La producción de cemento a nivel mundial crece de manera sorprendente. Esta

alcanzó los 1.75x109 ton en el año 2002 (Hendriks, 1998) (Vanderley, 2002), en

el año 2014 ya se encontraba cerca de los 4000 millones de toneladas y se

pronostica que para el 2050 la demanda de este supere los 5000 millones de

toneladas (IEA-WBSCD, 2009) como se aprecia en la figura 1.1 (CEMBUREAU,

2014).


13

Figura 1.1 Aumento proyectado en la producción de cemento hasta el año 2050

(CEMBUREAU, 2014)

Todo ello contribuiría a un incremento de las emisiones de 𝐶𝑂2 con respecto a

los valores actuales de producción. Lo cual constituye uno de varios factores que

han llevado a desarrollar estrategias para disminuir el negativo impacto

medioambiental, las cuales ya son aplicadas por la industria y su potencial futuro

ha sido evaluado en detalle por la IEA (Internacional Energy Agency) para el

estudio de la Cement Sustainability Initiative (CSI) de la World Business Council

for Sustainable Development (WBCSD), del cual se adapta la figura 1.2. Hoy día

las tres estrategias más importantes la constituyen (Scrivener, 2014):

Mejorar la eficiencia energética

Sustituir el clínquer por materiales alternativos o por MCS. Estos incluyen

cenizas volantes, escorias, y puzolanas naturales

Uso de biocombustibles y otros combustibles alternativos

Estos acercamientos realizado en el estudio de la CSI de por sí ya representan

un gran paso de avance hacia una producción menos contaminante; aunque no

se detiene ahí, ya se piensa ir un poco más allá, hacia la captura y

almacenamiento del carbono (zona gris Figura 1.2). Esta idea es quizás muy

cara (incrementaría los precios del cemento en 2-4 veces).


14

Figura 1.2 Futuros escenarios de reducción del CO2 tomando como línea base 2005

según un estudio realizado por el CSI. Bajo (a) y alto (b) incremento de la demanda.

La industria del cemento, junto con la siderurgia, la química, la refinación de

petróleo y la producción de papel, está entre los cinco sub-sectores industriales

mayores consumidores de energía a escala mundial, que son a su vez

responsables del consumo del 50% de energía primaria, y del 53% de las

emisiones de dióxido de carbono asociadas (Price L., el al 1999). En específico

se reporta que la industria del cemento, a escala mundial, tiene el 2% del

consumo global de energía, y el 6% del consumo global de energía industrial.

(Hendriks, 1998) (TAYLOR, 2006).

El proceso de producción de cemento demanda grandes cantidades de energía,

básicamente en la combustión de las materias primas en el horno y en la

molienda, para reducir hasta polvo el clínquer. Aunque el requerimiento mínimo

teórico de energía del proceso es de 1.75 ±0.1 MJ por Kg. de cemento producido

(Hendriks, 1998), se estima que la producción de 1 Kg. de clínquer requiere, de

forma efectiva, entre 3.2 y 6 MJ de energía térmica, en dependencia del tipo de

proceso utilizado.


15

1.1.1 Producción de CPO caso Cuba

La industria del cemento en Cuba comenzó a finales del siglo XIX cuando se

inauguró en La Habana la primera fábrica de cemento gris tipo Portland de

Iberoamérica, el 7 de julio de 1895. Esta planta tenía una capacidad de 20 t/día

o sea 6 mil t/año (por vía seca), lo cual bastaba para abastecer la demanda

nacional, se comercializaba con la marca “Cuba” (Batista, 2007). A principios del

siglo XX comienza su producción la segunda fábrica de cemento en las cercanías

del río Almendares, con una capacidad de unas 60 000 ton por año. Las

producciones se realizaban con tecnologías aún muy rústicas y muy poco

productivas, pero que podían abastecer la demanda nacional. Tras el triunfo de

la Revolución el país invirtió 465 millones de pesos en la industria del cemento

lo que multiplicó la capacidad de producción instalada en 5 veces más a la

existente hasta 1959 (Martirena, 2003).

A partir de la década de 1980 se comenzaron a utilizar las puzolanas como

sustitutas parciales del clínquer del CPO en Cuba. Todo ello fue posible ya que

en nuestro país existen numerosos yacimientos de rocas zeolitizadas y de vidrio

volcánico diseminado en todo el territorio nacional los cuales generalmente

muestran una elevada actividad puzolánica. Dichas puzolanas fueron utilizadas

como adiciones para producir diferentes tipos de CPO, las cuales se conocen

como PP-350, PP-250 y CA-160 (Rabilero, 1993).

En la década de 1990 con la caída del campo Socialista nuestro país tuvo que

centrarse en alternativas más económicas que la producción de cemento en

grandes plantas. En este momento es que surge el llamado ¨Cemento Romano¨

el cual comenzó a producirse en Santiago de Cuba. Desde 1996 comenzó un

período de recuperación para la industria del cemento Portland en Cuba debido

al incremento de las inversiones nacionales en zonas estratégicas como el

turismo y a la inserción de Cuba en el mercado caribeño.

La figura 1.3 muestra cómo ha evolucionado la producción de cemento en Cuba

entre 2002 y 2012 (ONEI, 2012).


16

Actualmente Cuba cuenta con 6 fábricas, con una capacidad disponible para

producir Cemento Gris de 3,564 millones de toneladas anuales y Cemento

Blanco de 0,08 millones de toneladas anuales, algunas por vía seca y otras por

vía húmeda (Gallo, 2010). Estas fábricas están ubicadas en El Mariel y Artemisa

provincia La Habana, Guaos en Cienfuegos, Siguaney en Sancti Spíritus,

Nuevitas en Camagüey y en Santiago de Cuba como se puede apreciar a

continuación en la Figura 1.4.

Figura 1.4 Distribución de las fábricas de cemento en Cuba.

La Tabla 1.1 nos muestra las fábricas de cemento en operación en Cuba, sus

tipos de procesos tecnológicos de producción y su producción en el año 2012

(Anuario Estadístico GECEM).

Figura 1.3 Evolución de la producción de cemento en Cuba entre 2002 y 2012 (ONEI, 2012)


17

Tabla 1.1 Procesos tecnológicos de producción y producción de cemento de cada una

de las fábricas en Cuba (Anuario estadístico GECEM).

Fábrica

Ubicación

Tipo de Proceso

Líneas de producción

Producción de cemento 2012

(Mt)

% respecto a la producción

anual

Mártires de

Artemisa

Artemisa Vía húmeda 1 Gris 196.1 10.7

René Arcay

Mariel, Habana

Vía seca 2 Gris 624.2 34.2

Karl Marx Guabairo, Cienfuegos

Vía seca 2 Gris 675.9 37.0

Siguaney Siguaney, Sancti Spíritus

Vía húmeda 2 Gris 1 Blanco

128.4 7.0

26 de Julio Nuevitas, Camagüey

Vía húmeda 2 Gris 104.5 5.7

José Mercerón

Santiago de Cuba

Vía húmeda 1 Gris 95.6 5.2

Total 1824.7 100 %

1.1.2 Proceso de producción de CPO El proceso de producción del cemento está compuesto de 4 etapas principales:

1. Extracción, preparación y molienda de las materias primas

2. Dosificación y homogeneizado de la mezcla cruda

3. Cocción (obtención del clínquer)

4. Molienda del clínquer (obtención del cemento)

Figura 1.5 Proceso de fabricación del cemento Portland (Betancourt, 2012).


18

Inicialmente todo el proceso comienza con la extracción de las materias primas en la

cantera, donde los minerales contienen óxido de calcio, óxido de silicio, óxido de

aluminio, óxido de hierro, etc. Posteriormente son transportadas a la planta donde son

trituradas hasta 25 cm, seguido de una verificación de su composición química. A

continuación, se realiza una segunda trituración hasta 2 mm aproximadamente, se

analizan sus propiedades y se pre homogeneiza la muestra.

Luego del procesamiento de las materias primas en función de sus características y

del método de producción empleado (seco, semi-seco, húmedo), las mismas se

someten a la cocción en un horno. La calcinación de la mezcla cruda obtenida tanto

por vía seca como por la húmeda, se realiza generalmente en hornos giratorios. Los

hornos verticales se usan a veces sólo para el procedimiento seco. Los grandes

hornos giratorios, de 150 – 250 m de longitud, se instalan con una cierta pendiente

para posibilitar que el material vaya penetrando dentro del mismo, obligado además

por su rotación, con una velocidad entre uno y dos revoluciones por minuto

(Betancourt, 2012).

En los hornos giratorios, la mezcla de materias primas se suministra por la parte

superior, que es la más fría, mientras que en la parte inferior se ubican los quemadores

que pueden funcionar con distintos tipos de combustible, según el tipo (petróleo,

carbón, petcoke, gas, etc.). Dichos quemadores producen una llama en forma de

dardo con una longitud entre 15-30 m. La materia prima cruda, la cual se suministra

en forma de polvo o de un lodo plástico (procedimiento seco y húmedo

respectivamente), va sufriendo distintos procesos según se eleva la temperatura al

transitar por las distintas secciones del horno.

Dentro del horno existen seis etapas:

1. La desecación hasta los 200 ºC es donde las materias primas pierden la

humedad.

2. El calentamiento de los 200 hasta los 700 ºC provoca la quema de impurezas

orgánicas.

3. La calcinación de los 700 hasta los 1100 ºC los carbonatos se disocian y los

minerales arcillosos se descomponen.

4. La formación de aluminatos y ferritos ocurre de los 1100 hasta los 1250 ºC.


19

5. La formación del clínquer ocurre de los 1250 hasta los 1450 ºC, a esta

temperatura el silicato dicálcico (belita) y la cal reaccionan formando el silicato

tricálcico (alita), el cual constituye el principal componente del clínquer.

6. El proceso de enfriamiento ocurre en dos etapas, primero antes de salir del

horno (1300 hasta 1000 ºC) se forma por completo la estructura del clínquer,

donde la alita y la belita son sus minerales fundamentales.; y la segunda etapa

al salir del horno (1000 hasta 200 ºC) posterior a esto se enfría y se almacena

durante 2 semanas aproximadamente.

Todo este proceso culmina con una molienda conjunta del clínquer, yeso y

adiciones en equipos mecánicos que someten dicha mezcla a impactos

metálicos o fuerzas de compresión elevadas, ya sea por prensas de rodillos,

molinos verticales de rodillos, molinos de bolas o molinos horizontales de rodillos.

Luego de la molturación ya se obtiene el producto final, “el cemento”, el cual se

despacha para su comercialización y uso, ya sea a granel, en sacos o en big

bags (Betancourt, 2012).

Durante la elaboración del cemento, es la producción de clínquer la responsable

de ser la de mayor consumo de energía y a su vez la de mayores emisiones de

CO2 a la atmosfera. Ello ha llevado a disminuir el contenido de clínquer a partir

del empleo de materiales puzolánicos, cuya demanda se ha incrementado desde

principios de la década de los 80, y se prevé que en un futuro cercano se

incremente más aún.

1.1.3 Reducción del factor clínquer

La industria del cemento se encuentra en camino de nuevas vías enfocadas

hacia la sostenibilidad ambiental buscando reducir la cantidad de clínquer en el

cemento. Debido ello a la contaminación generada en la producción del mismo,

de lo cual da fe el hecho de que del total de emisiones de CO2, el 40 %

aproximadamente proviene del consumo de energía eléctrica y de la quema de

combustibles fósiles, mientras que el 60 % restantes es causado por la

descarbonatación de las materias primas durante el proceso de fabricación del

clínquer (CSI, 2010).


20

El empleo de los MCS y el nivel de sustitución del clínquer que estos pueden

lograr dependen de la naturaleza y características química-físicas de cada

material, así como de su disponibilidad en cada región. El factor de reducción de

clínquer es limitado por la reducción de la resistencia, sobre todo a edades

tempranas. Debido a la reducción en gran medida de las emisiones de CO2, al

aumento de la producción de cemento a un menor costo de inversión asociados,

el empleo de MCS como sustitutos parciales del clínquer en la producción de

cementos mezclados constituye hoy día una de las alternativas ambientalistas

por excelencia y más que ello una necesidad (Vizcaíno, 2014). El siguiente

gráfico nos muestra como tiende a disminuir el factor clínquer en las principales

regiones productoras de cemento y el promedio mundial entre 1990 y 2006.

Figura 1.6 Tendencia a la disminución del factor clínquer en las principales regiones productoras de cemento y promedio mundial anual entre 1990 y 2006 (Vizcaíno, 2014).

El aumento de los niveles de sustitución de clínquer ha estado liderado por las

regiones con economías emergentes, como Latinoamérica, India y China, que

se encuentran por encima de la media mundial de 22 % (CSI, 2010). Constituye

un reto a enfrentar para el desarrollo de la producción cementos mezclados y el

aumento de los niveles de sustitución de clínquer por materiales cementicios el

hecho de cubrir la demanda de cemento prevista para el 2050 con los MCS

existentes (Vizcaíno, 2014).

89 91

83 82 79

86 82

90

8386 88 85 82 78

84

79

87

8281 85

77 81 77

83

74

84

7979

84

74

80 76

83

74

84

78

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% d

e cl

ínq

uer

en

cem

ento

1990

2000

2005

2006


21

1.2 Los Materiales Cementicios Suplementarios (MCS)

Los Materiales Cementicios Suplementarios MCS son aquellos que se utilizan

en la sustitución del clínquer y contribuyen a las propiedades físico-químicas del

hormigón endurecido. Estos se clasifican en aglomerantes hidráulicos y

materiales puzolánicos. Los aglomerantes hidráulicos se caracterizan por

reaccionar con agua formando productos de hidratación que aportan

propiedades cementantes y aglomerantes puzolánicos. La American Standard

Testing Materials (ASTM) define como puzolanas a aquellos productos naturales

o artificiales, silíceos o aluminosilíceos que, por sí mismos, poseen poca o

ninguna propiedad aglomerante, pero que, finamente molidos y en presencia de

agua, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio (𝐶𝑎(𝑂𝐻)2) a

temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes

(Guerra, 2013). Las puzolanas generalmente poseen un alto contenido de SiO2

y algunas veces Al2O3 (Martirena, 2003). Las razones que justifican la utilización

de estas adiciones al CPO son: económicas (ahorro energético al sustituir un

porciento de clínquer por adiciones), técnicas (aumento de la durabilidad e

incluso de la resistencia mecánica) y ecológicas (disminución de las emisiones

de 𝐶𝑂2 a la atmósfera).

La mayor parte de los materiales puzolánicos empleados lo constituyen las

puzolanas de origen artificial: subproductos del sector industrial como las

escorias de altos hornos (subproducto de la industria siderúrgica), las cenizas

volantes (subproducto de la quema del carbón en las plantas de generación

eléctrica), y el humo de sílice (subproducto de la producción de silicio y

ferrosilicio). Pero existe un grupo poco explotado, el cual posee abundantes

reservas, como es el caso de las puzolanas naturales, la ceniza de la cáscara de

arroz y las arcillas activadas térmicamente (Martirena, 2003) (Alujas, 2010).


22

Figura 1.7 Empleo de materiales puzolánicos en la sustitución parcial del CPO (Scrivener, 2007).

1.2.1 Efecto de las puzolanas

Las puzolanas reaccionan con los productos de reacción del cemento Portland,

específicamente con la portlandita para producir compuestos insolubles que

contribuyen a la resistencia y durabilidad de los hormigones. Además de que la

función como material aglomerante es su principal acción, estas acarrean otros

efectos:

Positivos:

Aumento de su estabilidad química y por tanto aporta una mayor

durabilidad al cemento y el hormigón.

Disminuye la liberación del calor de hidratación confiriendo menor

permeabilidad en los hormigones, que los hace idóneos para la

construcción de presas y obras que necesiten grandes masas de este

material.

Minimiza la expansión volumétrica durante el fraguado; lo que elimina o

reduce las grietas y con ello aumenta la resistencia mecánica de la

estructura a las cargas.

Mejora la manejabilidad de la mezcla de hormigón, con menor tendencia

a la segregación de sus componentes.


23

Menor costo de producción (ahorro de combustible al disminuir el

consumo de clínquer).

Mayor homogeneidad del hormigón.

Reduce la presencia de cal libre, porque proporciona los elementos

necesarios para completar la reacción química de formación de las fases

cristalinas principales que acompañan al cemento. La cal libre presente

en el clínquer afecta la resistencia química del cemento y del hormigón,

exponiéndolo al “lavado químico” que produce la lluvia y la humedad

atmosférica.

Negativos:

Necesidad de una mayor cantidad de agua de mezclado para una

consistencia dada.

Menores resistencia a la compresión en edades cortas, pero mayores

a partir de los 28 días de fraguado.

En ocasiones provoca una mayor retracción al secado.

1.2.2 Evolución histórica del empleo de MCS en Cuba

En nuestro país desde la época colonial se comenzó a utilizar la roca zeolita

como material de construcción en las edificaciones de la barriada del Vedado,

como consecuencia de la crisis energética durante la Segunda Guerra Mundial.

Aunque el descubrimiento de roca zeolíticas de importancia industrial en Cuba

data de la década del 70, donde Coutin y Brito publicaron los resultados de los

estudios realizados durante varios años en Cuba oriental y central, y

mencionaron la presencia de cuatro zeolitas: clinoptilolita, mordenita, heulandita

y analcima y tres más: estilbita, thomsonita y laumontita rellenando vetillas,

grietas y poros en rocas efusivas y piroclásticas.

A partir de 1972 se acometió la elaboración de un proyecto técnico-económico

de búsqueda y explotación de zeolitas en Villa Clara y aunque a escala mundial

no existía una metodología económica de evaluación de este tipo de yacimiento,

en 1981 el colectivo de técnicos cubanos culminó el primer informe geólogo

sobre reservas industriales y los recursos pronósticos. Esta determinación de

reservas industriales, como tales, fueron las primeras que se calcularon en todo


24

el campo socialista. Los yacimientos de zeolita cubanos son de alto rendimiento

en clinoptilolita y modernita, llegando en algunos casos a más de 90%.

En Cuba se conocen más de 25 yacimientos y manifestaciones de zeolitas

naturales, distribuidas a todo lo largo y ancho del país. De acuerdo con datos de

la Oficina Nacional de Recursos Minerales del Ministerio de la Industria Básica,

estos yacimientos se encuentran distribuidos prácticamente en todo el territorio

nacional: Pinar del Río, La Habana, Villa Clara, Cienfuegos, Camagüey, Las

Tunas, Holguín, Granma, Santiago de Cuba y en Guantánamo. Se han estudiado

a profundidad 16 yacimientos que totalizan unos 20,9 millones de toneladas de

recursos medidos, 69,95 millones de toneladas en recursos indicados y 214,61

millones de toneladas en recursos inferidos (Juventud Rebelde, 2016).

Figura 1.8 Ubicación de los yacimientos y manifestaciones de zeolitas naturales en Cuba

El país cuenta con tres plantas en funcionamiento, con una capacidad instalada

de 150.000 toneladas al año en cada una, aunque en la práctica, la capacidad

de las plantas depende de la demanda. Actualmente, las de mayor demanda son

Tasajeras (San Juan de los Yeras) y San Andrés, y en menor medida, El

Chorrillo, en Camagüey.

Existen experiencias de la explotación de otras fuentes de materiales

puzolánicos en la isla, como las cenizas de bagazo y paja de caña para la

fabricación de aglomerantes alternativos (Martirena, 2003). Las investigaciones

llevadas a cabo por Alujas, Castillo y Fernández (Fernández, 2009, Alujas, 2010,


25

Castillo, 2010) reportan el potencial puzolánico que ofrece la activación de

arcillas cubanas multicomponentes con bajos contenidos de caolinita para la

fabricación de un aglomerante con rendimiento similar al cemento Portland. Sin

embargo, los datos del Instituto de Geología y Paleontología consideran las

reservas de arcillas caoliníticas como bajas, poco más de 65 MMt, pero su

potencial no ha sido debidamente investigado, pues los cálculos han estado

limitados a las características demandadas por las industrias de la cerámica y

para la producción de cemento blanco (Batista and Coutin, 2013), que requieren

de depósitos de arcillas de alta pureza de caolinita y/o bajo contenido de hierro.

Más reciente se ha reportado la activación térmica de arcillas multicomponentes

y la producción de un aglomerante con solo 50 % de clínquer mezclado con 30

% de arcilla calcinada y 15 % de caliza molida que mostró un comportamiento

similar el cemento PP-35 y a menor costo que este (Vizcaíno, 2014). Es por ello

que, el estudio de nuevas fuentes de materiales arcillosos con bajos contenidos

de caolinita, material ampliamente diseminado y de menor competencia de

utilización con otras industrias de mayor valor agregado, resulta una importante

alternativa para suplir la demanda cemento, disminuir sus costos, mitigar las

emisiones CO2 de su producción, y en la medida de lo posible aprovechar las

tecnologías existentes sin grandes inversiones. Extender estos estudios permite

además, tener un mayor grado de conocimiento de las reservas existentes en

todo el país, vinculado particularmente al empleo de estos materiales arcillosos

con características adecuadas para su uso como materiales cementicios

suplementarios.

1.3 Arcillas clasificación, características y origen

Existen varias definiciones para el término arcilla, las que caracterizan estas,

como el granulométrico que designa a los sedimentos con un tamaño de grano

inferior a 5 μm. Pero al verlo desde un punto de vista mineralógico este criterio

no es adecuado porque asume que incluso minerales no pertenecientes al grupo

de los filosilicatos como cuarzos y feldespatos podrían ser considerados arcillas

cuando sus tamaños son lo suficientemente pequeños. Por tal motivo se

empleará la definición dada por Alujas ya que se ajusta en gran medida a los


26

objetivos de esta investigación: ¨bajo el término arcillas se engloba un vasto

grupo de minerales cuyos elementos predominantes son el Si, el Al, el H y el O,

y cuyas propiedades fisicoquímicas derivan de su composición química, de su

particular estructura interna en forma de capas (filosilicatos) y de su tamaño de

grano muy fino¨.

Los minerales arcillosos son el producto de la meteorización sobre minerales

primariamente ígneos como los feldespatos o formados durante la alteración

diagenética a bajas temperaturas. En dependencia de las condiciones de

intemperismo y de la composición química de la roca original, varios minerales

arcillosos son favorecidos en su formación. Dentro de ellos, los más comunes

son la caolinita, las esmectitas (montmorillonita), illita, clorita y palygorskita-

sepiolita. Las illitas y las cloritas son formadas predominantes en climas fríos o

templados, las esmectitas en climas mediterráneos y zonas tropicales con

diferencias entre las estaciones, mientras que la formación de caolinita es más

común bajo condiciones húmedas tropicales y ecuatoriales.

En la siguiente figura se puede apreciar la estructura de las principales fases

arcillosas (Shi, 2001):

a) Caolinita b) Montmorillonita c) Illita

Figura 1.9 Estructura de las principales fases arcillosas

Las arcillas están ampliamente distribuidas como constituyente esencial de los

suelos y sedimentos, debido a que son mayoritariamente los productos finales

de los distintos procesos de degradación de los aluminosilicatos formados a

mayores presiones y temperaturas y que constituyen más del 70% de la corteza

terrestre. Cuando están presentes en gran cantidad se presentan bajo la forma


27

de rocas arcillosas. En este trabajo se empleará la definición de roca desde el

punto de vista mineralógico, o sea, como la asociación natural de varias fases

minerales. Por tanto, se entienden como rocas arcillosas aquellas asociaciones

de minerales donde los pertenecientes al grupo de las arcillas constituyen la

fracción dominante. La roca arcillosa puede a su vez subdividirse en la fracción

arcillosa, que contiene a las fases minerales que responden a las características

estructurales de las arcillas, y la fracción no arcillosa, constituida generalmente

por minerales con una composición química similar a la de las arcillas, pero con

una estructura cristalina diferente (Brown, 1961).

La presencia de rocas arcillosas donde predomine un solo tipo de fase mineral

arcillosa es poco frecuente, y solo se da para orígenes muy específicos del

yacimiento, como los de tipo hidrotérmico. Lo más común es encontrarlas bajo

la forma de depósitos de origen y tamaño variable y donde se mezclan más de

un tipo de fases minerales arcillosas con otros minerales no arcillosos como

cuarzo y feldespatos (Drits, 2003).

Cada partícula de arcilla está formada por varias capas compuestas

fundamentalmente por láminas alternas de Si2O52- tetraédricas con láminas

octaédricas de Al2(OH)42+. Es común encontrar sustituciones isomórficas de la

alúmina por Mg2+, Fe2+, Fe3+ y Mn2+. Si el catión es trivalente, la coordinación se

torna di-octaédrica y es el caso de la gibsita; en cambio, si el catión es divalente,

como en el caso del magnesio, las coordinaciones son tri-octaédricas

(Fernández, 2009).

De acuerdo con la manera en que en 2 o 3 capas de los filosilicatos que

conforman su estructura interna se agrupan y mantienen enlazados, las arcillas

son divididas en dos grupos principales como se muestra en la Tabla 1.2

(Fernández, 2009).

Tabla 1.2 Minerales arcillosos más comunes

Grupo

Distribución de los filosilicatos

Principales minerales arcillosos que integran el grupo

1:1

Sílice-alúmina

Caolinita

2:1

Sílice-alúmina-sílice

Montmorillonita, Illita


28

1.3.1 Las arcillas calcinadas como MCS

Las investigaciones enfocadas al empleo de las arcillas calcinadas como

materiales cementicios suplementarios parten del estudio de rocas arcillosas con

alto grado de pureza donde existe un predominio de la fase arcillosa, que

determina el desarrollo del carácter puzolánico por activación térmica. Los

minerales arcillosos de la familia de las caolinitas se presentan en abundancia

en las zonas tropicales, donde su formación es favorecida por las condiciones

ambientales de altas temperaturas y abundante humedad, en comparación con

la formación de otros tipos de minerales arcillosos, como las illitas y las

esmectitas, que predominan en climas más secos y fríos (Deer, 1992). Sin

embargo, el comportamiento de los depósitos arcillosos con fracción arcillosa

multicomponente es mucho más abundantes y con menor interés comercial, es

todavía poco comprendido y estudiado (Habert, 2009).

El metacaolín (MK) es el resultado de la activación térmica de arcillas caoliníticas

de alta pureza, es el material puzolánico más estudiado y el único que existe en

el mercado como un producto comercial. El MK, una puzolana de alta reactividad

que se obtiene a partir de la calcinación, bajo condiciones controladas, de arcillas

caoliníticas de alta pureza, ha demostrado un excelente potencial para,

mezclado con el CPO, mejorar significativamente la resistencia y la durabilidad

del hormigón (Poon, 2001), además es capaz de reaccionar con la portlandita

(CH) para formar hidratos suplementarios de silicio y calcio de similar

composición y estructura que los obtenidos en el cemento Portland sin adiciones.

Independientemente de las reconocidas buenas prestaciones del MK, este es

aún un producto relativamente caro, con un precio en el mercado internacional

que puede oscilar entre un 49 % y un 70 % del precio del CPO (Martirena, 2010).

A diferencia de otros materiales cementicios suplementarios, como las cenizas

volantes, el humo de sílice y las escorias de altos hornos, el MK no es el

subproducto de un proceso industrial, sino que es manufacturado con propósitos

específicos mediante la calcinación a temperaturas controladas de arcillas con

un contenido de caolinita superior al 70 % (Sabir B.B., 2001).

La activación de otras arcillas distintas de las caolinitas es un campo de

investigación interesante y puede tener importantes aplicaciones industriales,

expandiendo las reservas potenciales de materiales arcillosos capaces de


29

desarrollar actividad puzolánica una vez calcinados bajo condiciones

específicas. Existe una dependencia lineal entre la resistencia a la compresión

en morteros y el grado de desorden estructural logrado a partir de la calcinación

de minerales arcillosos. El desorden estructural logrado a una determinada

temperatura sí depende de la mineralogía de la muestra, pero para muestras con

morfología y contenido similar de material reactivo se logran similares

resistencias, independientemente del tipo de fase arcillosa que aporta las fases

reactivas (Habert, 2009).

1.3.2 Activación térmica

En su estado natural las arcillas caoliníticas no pueden ser empleadas como

puzolanas debido a que su estructura cristalina estable impide la liberación de

sílice y alúmina como especies químicas capaces de participar en la reacción

puzolánica (Shi, 2001). La estructura en forma de capas propensas al

deslizamiento y al agrietamiento, y la capacidad para inmovilizar grandes

cantidades de moléculas de agua en su superficie son factores que pueden

afectar de forma negativa la resistencia mecánica y la reología en un material

cementicio, mientras que la alta capacidad de adsorción de iones puede

modificar la composición química de las soluciones acuosas, afectando las

propiedades tecnológicas del hormigón. Por lo tanto, las arcillas deben

modificarse estructuralmente para ser empleadas como materiales puzolánicos.

(Alujas, 2010).

El proceso de activación puede hacerse a través de medios mecánicos, químicos

o térmicos, dentro de los cuales es la activación térmica la forma más efectiva y

empleada para modificar la estructura cristalina de las arcillas y alcanzar el

máximo potencial de reactividad puzolánica (Shi, 2001). El intervalo de

temperatura depende del tipo de arcilla, grado de cristalinidad y distribución

granulométrica (Todor, 1976). Aunque generalmente este rango oscila entre los

700ºC y los 900ºC lo cual es significativamente inferior a la temperatura necesaria

para la clinquerización (1450 ºC). Esto se traduce como menor consumo de

energía y a su vez una 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 (Sabir B.B., 2001).


30

La calcinación de las arcillas se produce de la siguiente forma: calentamiento

desde la temperatura ambiente hasta los 250°C donde ocurre la pérdida

(reversible en algunos casos) del agua adsorbida y absorbida en las superficies

externas e internas de la arcilla (deshidratación). Entre los 400 °C y los 850 °C

ocurre la remoción de los OH- estructurales (desoxhidrilación) acompañada por

el desorden parcial de la estructura cristalina y la formación de fases

metaestables, caracterizadas por una alta reactividad química (Heller-Kallai,

2006). La pérdida de los OH- desestabiliza eléctricamente la estructura,

especialmente en la zona de la capa octaédrica. Es por eso que en las arcillas

calcinadas las fases de alúmina juegan un papel muy importante en la reactividad

puzolánica, pues son estas zonas de la estructura las primeras en

desestabilizarse estructuralmente durante el proceso de deshidroxilación.

Cuando la temperatura se acerca a los 900 ºC, se produce una drástica caída en

la superficie específica, que se refleja en una disminución de la actividad

puzolánica (Alujas, 2010).

Para fases con un bajo grado de orden estructural la reactividad puzolánica se

alcanza más rápido y a menores temperaturas que para fases minerales del

mismo tipo, pero con un alto grado de orden en su estructura (He, 1995) (Samet,

2007). Independientemente del tipo de mineral arcilloso, se ha observado que

alrededor de los 950 °C toma lugar la reorganización de la estructura para formar

nuevas fases cristalinas estables a altas temperaturas y químicamente poco

reactivas. La presencia de impurezas de tipo no arcilloso como cuarzo y

feldespatos tienden a reducir la temperatura a la cual ocurre este fenómeno,

acortando el intervalo para el cual es posible la activación térmica de la arcilla

(He, 1995). Por tanto, la temperatura de calcinación a la cual se obtiene la mayor

reactividad puzolánica debe situarse dentro del intervalo que se extiende entre

el final de la desoxhidrilación y el inicio de la recristalización, fenómenos que

delimitan, desde el punto de vista estructural, el intervalo dentro del cual una fase

arcillosa puede ser convertida en un material puzolánico mediante activación

térmica. (Figura 1.2)


31

Figura 1.10 Comportamiento térmico de los minerales arcillosos (Snellings, 2010).

1.3.3 Reacción puzolánica

Las bases para el empleo de los materiales puzolánicos como sustitutos

parciales del clínquer en el CPO o como materiales mezclados con el propio

CPO, se fundamentan en la reacción ácido-base en su concepción más general.

El ataque químico de los iones OH- que provienen de la disolución del Ca (OH)2

y de los iones alcalinos liberados en la hidratación del CPO (componentes

básicos) a las redes aluminosilíceas (componentes ácidos) que se encuentran

en un estado de alto desorden estructural dentro de las puzolanas, provoca la

ruptura de los enlaces Si-O y Al-O y la liberación de oxianiones a la solución. Ya

que la solución de poros del cemento es esencialmente alcalina, el producto

inmediato de la reacción es un gel amorfo donde el K+ y el Na+ son los cationes

dominantes. Sin embargo, la abundante presencia de Ca2+ y la baja solubilidad

de los CSH y de las fases AFt y AFm aseguran que este gel sea solo un producto

intermedio. Los nuevos productos de hidratación, formados a partir de la reacción

de las puzolanas con la CH generada durante la hidratación del CPO, son los

responsables de la mejora en las propiedades mecánicas y de durabilidad del

hormigón (Taylor, 1990).

La composición de los CSH formados durante la reacción puzolánica es similar

a la de los CSH formados durante la reacción de hidratación del cemento, pero

con una relación Ca/Si generalmente más baja. Si existen apreciables


32

cantidades de alúmina reactiva en la puzolana, tal y como es el caso de las

arcillas calcinadas, esta tiende a favorecer no solo la formación de fases de

aluminato de calcio, sino también la sustitución parcial del Si por Al en la

estructura de los CSH, incrementando así la relación Al/Ca en los CSH, en cuyo

caso se refiere a estas fases como CASH (Taylor, 1990) (Fernández, 2009). Al

igual que las principales reacciones de hidratación del CPO, las reacciones

puzolánicas son exotérmicas, pero como se verifican bajo una cinética más lenta,

su aporte al calor de hidratación para un instante determinado es menor, aunque

la contribución al calor total acumulado puede llegar a ser significativa

(Ramachandran, 2001).

Para el caso particular de las arcillas calcinadas, tres reacciones químicas

pueden ser planteadas de forma hipotética para describir la interacción entre el

Ca (OH)2 y la sílice y la alúmina que se encuentran en un estado de alto desorden

estructural. En este caso, las reacciones son planteadas tomando como base el

Metacaolín (MK) (Baronio, 1997).

AS2 + 5CH + 3H → C4AH13 + 2CSH

(Metacaolín) (Portlandita) (Agua) (Tetracalcioaluminato hidratado) (Silicato de calcio hidratado)

AS2 + 6CH + 9H → C3AH6 + 2CSH

(Metacaolín) (Portlandita) (Agua) (Tricalcioaluminato hidratado) (Silicato de calcio hidratado)

AS2 + 3CH + 6H → C2AH8 + CSH

(Metacaolín) (Portlandita) (Agua) (Stratlingita o gehhelenita) (Silicato de calcio hidratado)

Los productos predominantes de esta reacción son los silicatos de calcio

hidratados (CSH), acompañados de las fases ricas en alúmina como la

Stratlingita (C2ASH8) y los hidroaluminatos de calcio (C3AH6) (Fernández, 2009).

En los cementos modernos, el contenido de sulfatos o carbonatos puede ser

relativamente alto formando preferencialmente ettringita, monosulfatos y

carboaluminatos, inhibiendo de esta manera la precipitación de las fases

mencionadas (Cabrera, 2015).


33

1.3.4 Métodos para determinar de reactividad puzolánica

Son varias las técnicas para evaluar la reactividad puzolánica, la mayoría

basadas en la medición, durante un intervalo de tiempo, de distintas propiedades

físicas o químicas relacionadas con la reacción puzolánica. En dependencia de

las propiedades a evaluar o de los tiempos de ensayo requeridos, pueden ser

empleados sistemas CPO-Puzolana, o Ca(OH)2-Puzolana, bajo la forma de

pastas, morteros u hormigones (Alujas, 2010). Se han hecho intentos para

comparar la puzolanidad y los índices de actividad puzolánicas medidos por

varios métodos. En la mayoría de los casos, la relación entre los resultados

obtenidos en las técnicas químicas y mecánicas ha sido pobres, por lo cual, ha

sido necesario el uso combinado de varias técnicas para poder comprender los

fenómenos de actividad puzolánica.

La mayoría de los métodos utilizados para la evaluación de la actividad

puzolánica se basan en la determinación del consumo de cal (Tironi A., 2013).

Sin embargo, las propiedades mecánicas de los nuevos sistemas cementicios

donde hay combinación de arcilla calcinada y caliza no correlacionan

generalmente con los resultados de los métodos comunes de evaluación de la

actividad puzolánica (Avet, 2015).

Los ensayos de resistencia mecánica aportan valiosos datos directamente

relacionados con el desempeño del material en la práctica y representan el

aporte de todos los factores relacionados con la reacción puzolánica. Sin

embargo, por sí solos ofrecen poca información sobre los procesos responsables

de la reactividad puzolánica y no pueden ser utilizados como única vía para

entender el comportamiento de nuevos materiales puzolánicos. Con este

propósito, modernas técnicas de caracterización han ido ganando creciente

importancia en el estudio de la reacción puzolánica.

La Calorimetría Isotérmica, técnica de análisis térmico que ha ganado creciente

importancia en los estudios de la hidratación del CPO, se basa en la medición

de la velocidad de liberación de calor en función del tiempo bajo un régimen

isotérmico y aprovecha el carácter altamente exotérmico de las reacciones de

hidratación del CPO y de las reacciones puzolánicas y su cinética relativamente

lenta (Pane, 2005). De esta forma, la cantidad de calor total acumulado es


34

directamente proporcional a la cantidad de productos de hidratación generados

y puede tomarse como una medida del grado de reacción alcanzado por el

sistema. La medida de la velocidad o flujo de liberación de calor provee

información acerca de la cinética y los mecanismos de hidratación (Alonso,

2001).

Una técnica más sencilla de implementar, pero que brinda una información

semejante a la Calorimetría Isotérmica es la Contracción Química, tiene su

fundamento en los cambios que ocurren en el volumen total del sistema durante

las reacciones de hidratación (Ramachandran, 2001). Teniendo en cuenta que

el volumen específico del agua es menor cuando está enlazada químicamente

que cuando está en estado no asociado, las reacciones de hidratación van

acompañadas generalmente de una reducción en el volumen total del sistema.

Como ejemplo del principio de esta técnica puede observarse cómo, durante la

reacción de hidratación del CPO, el volumen del sólido aumenta por la formación

de los productos de hidratación, pero el volumen total decrece (Taylor, 1990)).

1 V 3CaO SiO2 + 1.318 V H2O____ 1.570 V xCaO ySiO2 zH2O + 0.597 V Ca(OH)2

Vt = 2.318 Vt = 2.167

Los estudios por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) son muy útiles

para identificar y evaluar la estructura de los hidratos formados en las pastas de

CPO y de CPO con adiciones puzolánicas (Andersen, 2003) (Sagar Naya, 2007).

Los recientes avances reportados por Scrivener en el estudio de la

microestructura de pastas y morteros mediante MEB en su modo de electrones

de retrodispersión permiten no solo la identificación y descripción de los

productos de hidratación, sino también su cuantificación, haciendo uso de

modernos software para el análisis y procesamiento estadísticos de las

imágenes (Scrivener, 2004).

Reciente se ha reportado la aplicación de un nuevo protocolo experimental para

la evaluación de la actividad puzolánicas de arcillas calcinadas, denominado

Ensayo R3 (Rapid, Relevant and Reliable) (Avet, 2015), desarrollado de conjunto

por investigadores del Centro de Estudios de Química Aplicada (CEQA) de la

UCLV “Marta Abreu” de las Villas y el Laboratorio de Materiales de Construcción


35

del Instituto Federal Suizo de Investigaciones de Lausana, Suiza, que evalúa la

reactividad puzolánica monitoreando el calor liberado durante la reacción

puzolánica en sistemas hidróxido de calcio - arcilla calcinada - caliza. Este

ensayo, que ha sido validado a escala de laboratorio para varias arcillas

calcinadas, se basa en medir el calor total liberado por una pasta cal-puzolana,

a la cual se le adicionan también álcalis y sulfatos, de manera que se simulan las

condiciones que existen en un sistema mezclado cemento – puzolana. El calor

liberado durante un periodo de tiempo determinado es directamente proporcional

a la reactividad puzolánica de los productos de calcinación y los ensayos a escala

de laboratorio para varias arcillas calcinadas han demostrado que los resultados

guardan una correlación lineal con los ensayos normados de resistencia a la

compresión.

1.4 Perspectivas del empleo de las arcillas calcinadas como MCS en Cuba

Cuba no cuenta con grandes reservas de caolines de alta pureza. Sin embargo,

investigaciones precedentes han demostrado que, si se conocen y aprovechan

las características estructurales, químicas y mineralógicas de una fracción

arcillosa multicomponente, esta puede, aun para contenidos moderados de

arcillas caoliníticas, ser convertidas mediante activación térmica en un material

puzolánico capaz de ser empleado en la sustitución parcial del CPO en mezclas

aglomerantes, con reactividades tales que le permiten mantener e incluso

incrementar las propiedades mecánicas y de durabilidad (Alujas, 2010).

En nuestro país existen 45 yacimientos donde hay presencia de arcillas

caoliníticas con bajo grado de caolín que poseen grandes reservas distribuidas

en todo el territorio nacional. De esta reserva 14 millones se encuentran

concesionados para su explotación a diferentes industrias. La mayor cantidad de

depósitos de caolín se encuentran en el occidente del país, particularmente en

la isla de la Juventud y Pinar del Río; también se ubican depósitos con diferente

grado de interés en Villa Clara, Ciego de Ávila, Sancti Spíritus y Camagüey (IGP,

2010), de igual forma en la zona oriental, Las Tunas, Holguín y Santiago de

Cuba. En el resto del territorio nacional, según la Oficina Nacional de Recursos

Minerales, aparecen manifestaciones de forma diseminada, los de mayor interés


36

para la producción de puzolanas de alta reactividad son las de composición rica

en caolín como mineral arcilloso (Méndez, 2015).

Las condiciones actuales posibilitan y requieren que las puzolanas naturales

cubanas, sean evaluadas con más profundidad debido a varios factores como

son: el aumento considerable del precio de los combustibles fósiles (con precios

para el barril de crudo por encima de los 80 USD), el auge de planes de desarrollo

constructivo a corto y mediano plazo, las medidas de protección ambiental

(disminución de las emisiones de CO2).

Actualmente a partir de los trabajos e investigaciones desarrollados como parte

de proyectos del Centro de Investigaciones y Desarrollo de Materiales (CIDEM)

de la Universidad Central ¨Marta Abreu de las Villas¨ se han demostrado las

potencialidades de activación térmica de arcillas cubanas de bajo grado para la

obtención de materiales puzolánicos de alta reactividad y con ella producir

materiales puzolánicos con altas potencialidades de empleo como MCS (Alujas,

2010). El empleo de estos ha sido avalado a escala industrial para el caso del

yacimiento Pontezuela en la obtención de cementos base de Clínquer- Arcilla

Calcinada – Yeso, que alcanzaron en morteros normalizados resistencias a la

compresión superiores a la serie de control (CPO), con una reducción en el

contenido de casi un 50% en masa (Andrés, 2014).

Es necesario señalar que la ubicación actual de las fábricas de cemento en

nuestro país responde a estudios de prospección geológica donde no se

consideró el empleo de arcillas calcinadas como fuente de materiales

puzolánicos (Gallo, 2010). Esto trae consigo que la posible explotación de un

yacimiento arcilloso no está concesionada solo por sus características químicas

y mineralógicas, sino también por las reservas calculadas y su ubicación

geográfica, relativamente cercana a algunas de las fábricas de cemento

existentes en el país (Nazco, 2014). Tomando en cuenta lo expuesto

anteriormente el depósito el Yigre posee una gran perspectiva para la producción

de materiales cementicios suplementarios.


37

1.5 Conclusiones parciales del capítulo.

Como consecuencia de las particulares características químicas y

estructurales, que permiten su transformación en materiales de carácter

puzolánico a partir de su activación térmica, y a su amplia disponibilidad, los

minerales arcillosos constituyen una atractiva alternativa como fuente de

materiales puzolánicos.

Al sustituir el factor clínquer por materiales puzolánicos, se mantienen y/o

mejoran las propiedades físicas y de durabilidad, ya que minimiza la

expansión volumétrica, lo que reduce las grietas y a su vez aumenta la

resistencia mecánica. De igual forma constituye un menor costo de

producción.

El empleo de los productos de calcinación de arcillas multicomponentes con

bajos contenidos de caolinita es la mejor alternativa para la producción de

materiales puzolánicos en nuestro país, ya que no contamos con grandes

reservas de caolínitas de alta pureza en el territorio nacional.

CAPÍTULO II. ¨MATERIALES Y MÉTODOS¨

38

Capítulo II: ``Materiales y métodos´´

2.1 Caracterización del yacimiento

En nuestro país no existen grandes reservas de arcillas caoliníticas de alta

pureza, sin embargo, cuenta con numerosos depósitos con diferentes contenidos

de caolinita y otras fases arcillosas que podrían ser aprovechadas para la

obtención de puzolanas de alta reactividad (IGP, 2010). Estos depósitos

presentan diferentes grados de estudio desde el punto de vista geológico y en la

mayoría de los caso no se ha presentado su evaluación como fuente de materia

prima.

El yacimiento seleccionado para este estudio se identifica como Manifestación

Yaguajay, y forma parte de la secuencia arcillosa denominada como Arcillas

Bamburanao (Figura 2.1) que se distribuye en la zona Norte de los municipios

Remedios, Yaguajay y Chambas. Los primeros estudios que se realizaron de

esta secuencia arcillosa datan de la década de 1980, específicamente entre 1985

y 1990 cuando se realiza el Levantamiento Geológico 1:50000 Las Villas II y

Búsquedas acompañantes en coordinación Cuba-Bulgaria, ellos reportaron la

presencia de arcillas caoliníticas en una franja de 120 Km de largo en la porción

norte de las hojas 1:25000 Remedios, Dolores, Yaguajay y Chambas. En este

trabajo se realizaron 32 pozos de perforación que atravesaron todo el corte de

las arcillas, estimando una potencia de 20m (Figura 2.2) e indicando la presencia

del mineral Halloysita, clasificando las arcillas como caoliníticas con un contenido

promedio de Al2O3 de 27,14%.

Figura 2.1 Secuencia arcillosa Arcillas Bamburanao


39

Figura 2.2 Cortes Litológicos Esquemáticos (Arcial, 2015)

El relieve del yacimiento es del tipo ondulado a colinoso suave con diferencia de

alturas en las elevaciones de los llanos con relación a las alturas propiamente

dichas de 30-400m, con pendientes abruptas en las alturas mayor que 30º y

pendientes más suaves en las elevaciones de los llanos y presencia de

carsificación en ambas. En general los suelos son fértiles del tipo Ferrosialíticos

de color rojizo con perdigones de hierro.

Los sedimentos pertenecen a la Plataforma Neogénico-Cuaternario, clasificados

como Sedimentos Marinos Redepositados, que estuvieron en estrecha relación

con las transgresiones y regresiones del nivel del mar, formando la Unidad

Informal Arcillas Bamburanao, de edad Cuaternario. La geología de este sector

está marcada por su ubicación en la porción norte de la región central de Cuba

donde se establecieron lagunas interiores producto de la repetidas

transgresiones y regresiones del mar ocasionadas por los períodos de glaciación

depositando grandes volúmenes de sedimentos terrígenos, calcáreos y

arcillosos en capas horizontales de espesores hasta las primeras decenas de

metros, tal como se observa en la actualidad. Los sedimentos provenientes de

una fuente rica en minerales aluminosilicatados formaron las Arcillas

Bamburanao, en ellas se diferencian dos tipos por su coloración y composición:

a) Arcillas de color amarillento ocre a pardo hasta rojizo de oxidación, con

perdigones de óxido de hierro y de Mn, de diámetro hasta 1 cm. De estratificación


40

masiva y fragmentos aislados de silicita y calizas en toda su masa, plásticas, se

disuelven fácilmente en presencia del agua.

b) Arcillas de color gris, gris verdoso y verdoso, de estructura muy fina, de

estratificación incipiente y en ocasiones bien estratificadas. Presentan

intercalaciones de CaCO3 y por toda su masa cristalitos de yeso de 0.5 a 1.5 cm

confirmando su origen marino. Son muy plásticas y se disuelven fácilmente en

agua.

El grado de accesibilidad al yacimiento es satisfactorio por su cercana ubicación

a Yaguajay, y red vial bien desarrollada y en buen estado. Por la porción

occidental del área atraviesa la llamada Carretera Sancti Spíritus-Yaguajay y por

la porción norte el denominado Circuito Norte, con dirección a Chambas. La

industria minera está representada por la Cantera El Yigre perteneciente a la

Industria de Materiales de la Construcción, localizada 1.5Km al sur del área.

2.2 Muestreo

En el yacimiento se realizó un muestreo exploratorio, el cual fue supervisado por

especialistas de la empresa Geominera del Centro. Este tuvo como objetivo

conocer el comportamiento que posee en toda su extensión, ya que este

yacimiento está compuesto por sedimentos marinos provenientes de una fuente

rica en minerales aluminosilicatados, que estuvieron en estrecha relación con las

transgresiones y regresiones del nivel del mar. La existencia de datos de

muestreo de un estudio geológico realizado en 1985 permitió definir los 9 puntos

de muestreo (Figura 2.3), en los cuales se excavó una trinchera de 0.9 m de

ancho, 5 m de largo y 1.2 m de profundidad, auxiliándose de una

retroexcavadora. El material de los puntos desde el 1 hasta el 3, se mezcló y

homogeneizó para formar la muestra compósito 1 (YG-C1), los puntos desde el

8 hasta el 10 se homogeneizaron para formar la muestra compósito 3 (YG-C3) y

los puntos 6, 7 y 14 se homogeneizaron para formar la muestra compósito 2 (YG-

C2).


41

Figura 2.3 Ubicación de los puntos de muestreo

2.3 Caracterización de la materia prima

La determinación de la humedad natural de las muestras se realizó en los

laboratorios del (CEQA) Centro de Estudios de Química Aplicada de la UCLV

``Marta Abreu´´. Para ello se utilizaron muestras que fueron extraídas de la pared

de cada trinchera y embolsadas de forma independiente en bolsas selladas para

evitar que estas perdieran la humedad natural con que se encontraban en el

terreno. Es de destacar que el muestreo se realizó a mediados del mes de Enero,

durante el llamado periodo seco, aunque una semana después de varios días de

lluvias y chubascos en la región. Para este ensayo se tomaron aproximadamente

90 g de cada muestra, se colocaron en un crisol de porcelana y se colocaron en

una estufa a 200ºC durante 24 horas. Al ser extraídas se pusieron

inmediatamente en una desecadora hasta que alcanzaran la temperatura

ambiente y evitar que estas adsorbieran humedad. Después de

aproximadamente 30 minutos ya habían alcanzado la temperatura ambiente y

fueron pesadas nuevamente ya secas. Para una mayor representatividad se

realizaron 3 réplicas del ensayo para cada una de las muestras.

En el análisis químico de las muestras compósito se aplicaron los procedimientos

exigidos en las Instrucciones técnicas normativas elaboradas por LACEMI, 1986.

Los resultados de control se elaborarán según las normas NC 505:2007, NC

507:2007, NC 44-16:1970, NC 44-18-5:1984 y NR-MG-5-04 Trabajos Analíticos:


42

Control Geológico de la Calidad y la NRIB-269: Control Interno de la

Reproducibilidad de los Resultados de los Análisis Básicos Cuantitativos de

materia prima minerales, para el área geológica. Los análisis químicos de las

muestras compósito se realizaron en los Laboratorios de la Empresa Geominera

Centro, por los métodos de Absorción Atómica, Gravimétrico y Volumétrico, en

dependencia de las recomendaciones establecidas para cada uno de los

elementos analizados.

El análisis termogravimétrico de las materias primas, en la forma de sus

muestras compósito, se realizó en el Laboratorio de Materiales de Construcción

de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza. Para el análisis del

comportamiento térmico mediante Análisis Termogravimétrico (ATG) se utilizó

un instrumento Mettler-Toledo TGA/SDTA 851, a una velocidad de calentamiento

de 10 °C/min desde los 30°C hasta los 1000°C. Las pérdidas de masa fueron

calculadas utilizando el método de integración del área de pico.

Adicionalmente, para la muestra compósito 1 (YG_C1), representativa del

material seleccionado para realizar una prueba a escala piloto, se profundizó en

su caracterización mineralógica. La identificación y cuantificación de las fases

arcillosas se realizó por Difracción de Rayos X (DRX), empleando un

difractómetro Panalytical Xpert Pro MPD, con radiación CuKα y una rejilla de

divergencia de 0,5°. Las muestras fueron escaneadas entre los 4 y los 70° (2θ),

a un paso angular de 0,017° y un tiempo por paso de 80 segundos. Los

difractogramas fueron procesados empleando el software X Pert High Score Plus

(2011).

2.4 Activación térmica y procesamiento de la materia prima

Para el tratamiento térmico se contó con una mufla de laboratorio de marca

Nabertherm. Se calcinaron aproximadamente 6 kg de cada compósito durante 2

horas para lograr una adecuada activación térmica de la fase arcillosa (Poll L.,

2016) utilizando temperaturas de activación 750, 800 y 850 °C (Tabla 2.1). Al

extraerse de la mufla las muestras calcinadas se esparcieron sobre una

superficie metálica para que alcanzara rápidamente la temperatura ambiente,

con el objetivo de lograr un mayor desorden estructural (Tironi A., 2013) (Castillo,


43

2010). Posteriormente a la activación térmica se procedió a la molienda de los

productos de calcinación utilizando un molino planetario con bolas de ágata

hasta alcanzar un porciento de pasado por el tamiz de 90 µm de

aproximadamente 90%.

Tabla 2.1 Denominación de la serie producto de la calcinación

2.5 Caracterización granulométrica de los productos de calcinación

El análisis granulométrico de la arcilla calcinada y del cemento se llevó a cabo

en un analizador de tamaño de partículas HORIBA LA – 910, con una velocidad

de circulación de 6 ml/s y agitación de 6 rps y forma de distribución estándar.

Todos los datos quedaron registrados en el sistema instalado en la computadora

acoplada al analizador de tamaño de partículas, del cual se obtuvieron las curvas

características de tamaño de los materiales. Este análisis permite obtener la

distribución sumaria por clases en las muestras analizadas y el tamaño de

partículas predominantes en la muestra.


calcinación

2.6.1 Evaluación de la reactividad puzolánica mediante Calorimetría

Isotérmica (Protocolo R3)

Para determinar la reactividad puzolánica de los productos de calcinación de las

arcillas calcinadas a 750, 800 y 850 0C se empleó un ensayo experimental

denominado protocolo R3, el cual fue desarrollado por investigadores del

Laboratorio de Materiales de Construcción del Instituto Federal Suizo de

Investigaciones de Lausana, Suiza, en colaboración con el Centro de Estudios

Origen de la materia prima

Temperatura de calcinación

Denominación de la serie

Compósito 1 750ºC YG-C1-75










44

de Química Aplicada de la UCLV ``Marta Abreu´´ de las Villas. Este ensayo ha

sido validado para un alto número de arcillas calcinadas y se basa en medir el

calor total liberado por la reacción puzolánica en una pasta cal-puzolana, a la

cual se le adicionan también álcalis y sulfatos, de manera que se simulan las

condiciones que existen en un sistema mezclado cemento-puzolana. El calor

liberado durante un período de tiempo determinado es directamente proporcional

a la reactividad puzolánica de los productos de calcinación. Los ensayos a escala

de laboratorio para varias arcillas calcinadas han demostrado que los resultados

guardan una correlación lineal con los ensayos normalizados de resistencia

mecánica.

Para este ensayo se contó con un calorímetro TamAir de la firma Thermometric

con 8 canales de capacidad. Inicialmente el equipo se calibró para una escala

máxima de 60mW con el fin de incrementar la resolución y hallar las ecuaciones

de conversión de mV a mW para cada canal empleado. 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

operabilidad de las pastas. Se utilizó agua destilada como referencia. Para

preparar 110g de pasta se realizó el siguiente procedimiento:

1. Mezclar 37.5g de CaOH y 12.5g de arcilla.

2. Disolver álcalis (0.31g de KOH) y sulfatos (1.47g de KSO4) en 60g de agua

destilada.

3. Se mezclaron ambos a 1300 rpm durante 2 minutos, se extrajeron 15g de

esta pasta resultante en pequeños envases destinados para este tipo de

ensayo y se colocaron en el calorímetro

Todos los ensayos se realizaron a 30 ºC con lecturas cada 10 segundos durante

120 horas utilizando un ordenador conectado al equipo. Las curvas de flujo de

calor registradas fueron normalizadas a la masa de la muestra e integradas para

convertirlas en curvas de calor total liberado en el tiempo.


45

2.6.2 Evaluación de la reactividad puzolánica mediante ensayos de

resistencia a la compresión en morteros normalizados

Este ensayo de resistencia a la compresión permite evaluar la reactividad

puzolánica de los productos de calcinación de las arcillas y a su vez el

comportamiento físico-mecánico de morteros con un 30% de sustitución del CPO

por arcillas calcinadas. La preparación de los morteros 70-30 y los ensayos de

resistencia mecánica se realizaron en el Centro de Investigación y Desarrollo de

la Construcción del MICONS, siguiendo las especificaciones de la NC 527: 2007.

Además se preparó una serie de referencia con un 100% de CPO. Para las series

de los morteros 70-30 se utilizó un cemento P-35 elaborado con clínquer de

Siguaney con una finura de 89.16% pasado por el tamiz de 90 µm y una

superficie específica de 2601.17 cm2/g determinada mediante el ensayo Blaine

(Tabla 2.2).

Tabla 2.2 Resultados de los ensayos de Superficie específica, Finura y Minicono

Peso específico

(g/cm3)

Finura (% pasado

por 90 µ)

Superficie

específica (Blaine)

(cm2/g)

Minicono

3.14 89.16 2601.17 11.806

La composición química del cemento utilizado se reporta en la Tabla 2.3. Los

morteros fueron preparados con una relación agua / cemento de 0.5, y se les

adicionó entre 2 y 3 ml de aditivo para obtener una fluidez semejante a la de la

mezcla control,. Los morteros se mantuvieron en una cámara de curado durante

las primeras 24 horas a una temperatura de 25 ºC. Luego las muestras fueron

desmoldadas y colocadas en una piscina de curado a una temperatura de 27± 1

ºC. La resistencia a la compresión se evaluó a las edades de 3, 7 y 28 días.

Tabla 2.3 Composición química del cemento P35 producido

SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO SO3 RI PPI CaOlibre

18.88 3.14 5.09 61.07 1.27 3.32 4.09 3.42 1.54


46

Concusiones parciales del capítulo

Las técnicas empleadas para la caracterización química y mineralógica, y

la evaluación de la actividad puzolánica de las muestras se sustentan en

una base sólida que contribuye a la obtención de resultados confiables en

la investigación.

Las características geotecnológicas del depósito analizado resalta el

potencial para su empleo como material puzolánico, que no ha sido

utilizado con ningún fin práctico.

La metodología empleada para la investigación permite conocer la

posibilidad de empleo de las arcillas del yacimiento el Yigre como fuente

de material cementicio suplementario.

CAPÍTULO III. ¨ANÁLISIS Y DISCUCIÓN DE LOS RESULTADOS¨

47

Capítulo III: ¨Análisis y discusión de los resultados¨

3.1 Caracterización de la materia prima

La Tabla 3.1 muestra los resultados para el ensayo de humedad natural

resultado de exponer muestras de la arcilla del yacimiento estudiado hasta una

temperatura en la que se considera pierde humedad (200ºC). De manera general

los resultados obtenidos son un tanto altos a pesar de que el muestreo se realizó

en época seca; la humedad natural se mueve entre un 26,21 y 49,8% de la masa

de la muestra. Dentro de la tabla se ubicaron en la parte superior de cada

compósito las trincheras que se encuentran en la zona norte del yacimiento, y en

la inferior las que se encuentran en la zona sur, las cuales a su vez son las que

mayor contenido de humedad poseen por su cercanía al canal y a la zona baja

del yacimiento. Estos altos contenidos de humedad en las muestras constituyen

un factor fundamental a considerar en una futura utilización del yacimiento a

escala industrial, sugiriendo la necesidad de utilizar una estrategia de secado in

situ, lo cual evitaría el transporte de material con altos % de humedad hasta la

fábrica de cementos Siguaney, con los consiguientes costos de transportación.

Tabla 3.1. Humedad natural de las muestras del depósito El Yigre.

Trinchera Humedad (%) Desviación Estándar.

Compósito YG1

YG1 35,92 1,13

YG2 34,99 2,01

YG3 49,80 0,43

Compósito YG2

YG7 44,41 3,73

YG14 26,21 1,76

YG6 44,47 0,51

Compósito YG3

YG8 37,00 1,36

YG9 35,21 0,64

YG10 41,75 1,08

La Figura 3.1 muestra los resultados obtenidos mediante ATG para cada una de

las muestras compósito, donde se muestran los principales cambios

estructurales que ocurren en el sistema con el aumento de la temperatura. Para

todas las muestras se observa a temperaturas por debajo de 200ºC un primer

efecto de pérdida de peso asociado a la deshidratación del sistema. El efecto

que ocurre entre los 200 y 350ºC está asociado fundamentalmente a la


48

descomposición de los hidróxidos de hierro. Entre los 350 y 600ºC se manifiesta

la desoxhidrilación de los minerales arcillosos, este efecto está asociado a la

pérdida de los OH- estructurales de la caolinita. La muestra compósito YG-C3

manifiesta un efecto relativamente intenso enmarcado entre los 650 y los 800ºC,

que pudiera asociarse a la descomposición de la calcita (Tabla 3.2),

posiblemente de baja cristalinidad. Aunque el máximo efecto térmico de

descomposición de la calcita normalmente se reporta para temperaturas

alrededor de 900ºC, cuando esta se encuentra en bajas proporciones o existe

una mezcla de otros compuestos (ejemplo carbonatos de magnesio), este efecto

puede manifestarse a temperaturas más bajas, con un máximo cercano a los

800ºC (Todor, 1976, Habert, 2009).

Figura 3.1 Análisis Termogravimétrico de las muestras compósito.

Tabla 3.2 Contenido (%) de Caolinita y calcita de las muestras compósito.

YG_C1 YG_C2 YG_ C3

% Caolinita 43,34 38,70 33,82

% Calcita 5,10 13,70 30,45


49

Los resultados del análisis químico en los Laboratorios de la Empresa Geominera del Centro de las muestras compósito se muestran en la Tabla 3.3. Tabla 3.3 Composición química de las muestras compósito

Determinaciones UM Método YG-C1 YG-C2 YG-C3

Al2O3 % Volumétrico 23,94 24,24 16,92

Fe2O3 % Ab. Atómica 12,6 12,6 7,6

CaO % Volumétrico 4,54 6,94 24,29

MgO % Ab. Atómica 0,38 0,38 0,38

Na2O % Ab. Atómica 1,3 1,02 1,46

K2O % Ab. Atómica 0,54 0,35 0,6

TiO2 % Colorimétrico 1,22 1,18 0,79

MnO % Ab. Atómica 0,82 0,88 0,38

P2O5 Colorimétrico <0,2 <0,2 <0,2

CaCO3 % Volumétrico 8,1 12,39 43,36

Los altos contenidos de Fe2O3 reportados se asocian en primer lugar a la

presencia de óxidos e hidróxidos de hierro, que se evidencia en el color pardo-

rojizo de las muestras, aunque no se descarta cierto grado de sustitución

isomórfica del Al por el Fe en la capa octaédrica de los minerales arcillosos. La

arcilla también presenta un contenido de elementos alcalino-térreos

relativamente alto, asociado a la presencia de calcita o minerales similares.

Existe una correspondencia entre el contenido de caolinita y calcita

determinadas mediante análisis termogravimétrico y los contenidos de Al2O3 y

CaO determinados mediante análisis químico. De manera general los contenidos

de caolinita y calcita para una misma muestra son inversamente proporcionales,

y el contenido de caolinita disminuye en el orden YG_C1 > YG_C2 > YG_C3

(Tabla 3.2), lo que hace a la región centro-este del yacimiento la más adecuada

para su explotación como fuente de arcillas para la obtención de materiales

puzolánicos. Debe recordarse que los resultados de esta investigación

corresponden a un muestreo exploratorio del yacimiento, por lo que deben

tomarse como criterios indicativos, pero no definitivos, acerca de la calidad de la

materia prima.

Las principales fases minerales en la muestra compósito YG-C1 se identificaron

mediante DRX y los resultados se muestran en la Tabla 3.4. Se determinó que

los minerales arcillosos predominantes pertenecen al grupo de la caolinita

(nacrita, caolinita), acompañados en la mayoría de los casos por la presencia de


50

cuarzo y fases minerales ricas en hierro como hematita (Fe2O3) y la goethita (α-

FeO(OH)). También se detecta la presencia de minerales del tipo 2:1 como

Vermiculita.

Tabla 3.4 Composición mineralógica de las arcillas

Origen Minerales Arcillosos

1:1

Minerales Arcillosos

2:1

Otras

Redeposición Nacrita

Caolinita

Vermiculita +Calcita

La presencia identificada de calcita como mineral acompañante en la muestra se

corresponde con el contenido de CaO determinado mediante el análisis químico.

En la Figura 3.2 se muestra el difractograma correspondiente a la fase arcillosa

de la muestra compósito 1 (YG-C1), donde se puede apreciar que existe un

predominio de minerales arcillosos de la familia de las caolinitas.

Figura 3.2 Difractograma de Rayos X de la muestra compósito YG-C1.


51


calcinación.

La distribución de tamaño de partículas para las diferentes muestras compósito,

calcinadas a temperaturas entre 750 y 850°C se presenta en la Figura 3.3. De

manera general los sistemas se caracterizan por una distribución trimodal, donde

las partículas de cuarzo, calcita y otros minerales acompañantes deben ubicarse

dentro de la fracción más gruesa, mientras que los minerales arcillosos y los

hidróxidos de hierro, producto de los procesos de intemperismo, deben ubicarse

dentro de la fracción más fina. En este gráfico se puede apreciar que, de forma

general, existe una tendencia al desplazamiento del tamaño de partículas hacia

las fracciones más gruesas con el incremento de la temperatura desde 750 a

850ºC. Estos cambios son apreciables fundamentalmente en la disminución de

las partículas dentro de la fracción fina, donde se concentran los minerales

arcillosos, mientras que la fracción gruesa permanece relativamente inalterada.

Figura 3.3 Distribución de frecuencia de las muestras de arcillas calcinadas

Los valores de diámetro medio (DM) y superficie específica (SP), estimada esta

última a partir del tamaño de partícula asumiendo una simetría esférica, se

muestran en la Tabla 3.5 y en la Figura 3.4 para cada muestra de material

arcilloso calcinado. El efecto de la temperatura de calcinación en el diámetro

medio de las partículas y en la superficie específica es claramente perceptible a

partir del aumento del diámetro medio con el incremento de la temperatura de


52

calcinación, probablemente asociado al incremento de los procesos de

aglomeración de partículas, y en el correspondiente decrecimiento del área

superficial. El diámetro tiene una tendencia gradual al aumento hasta los 850 °C,

mientras que el área superficial tiende a disminuir, con un cambio de pendiente

entre los 800 y 850 ºC, más acentuado para la muestra YG-C1. Para esta

muestra compósito, los menores valores de diámetro medio a las temperaturas

de 750 y 800 ºC, y la brusca disminución de la superficie específica a partir de

los 800 ºC pueden estar asociados a su mayor contenido de minerales arcillosos

y los fenómenos de aglomeración asociados a estos con el incremento de la

temperatura.

Figura 3.4 Influencia de la temperatura de calcinación en la superficie específica (SP) y el diámetro medio (DM) de la partícula

Tabla 3.5 Tamaño de partículas y superficie específica.

YG-C1-75

YG-C1-80

YG-C1-85

YG-C2-75

YG-C2-80

YG-C2-85

YG-C3-75

YG-C3-80

YG-C3-85

Superficie específica, (cm2/cm3)

12087 12190 6714 12993 11396 10754 12697 11991 11352

Diámetro medio (µm)

78,17 77,54 203,34 93,67 96,90 125,88 118,04 123,25 140,45


53


calcinación.

3.3.1 Calorimetría Isotérmica (Protocolo R3).

Las curvas de calor total acumulado normalizado a la masa de puzolana se

muestran en la Figura 3.5. Debido a que la reacción puzolánica es una reacción

exotérmica, el calor total acumulado está directamente relacionado con la

cantidad de productos de hidratación que se generan, por lo que un incremento

en el calor acumulado indica una mayor formación de productos de hidratación y

por tanto una mayor reactividad puzolánica.

Figura 3.5 Curvas de calor total acumulado

Todos los sistemas analizados evolucionan de similar manera en el tiempo, y solo

se diferencian en los valores totales de calor total acumulado, que se muestran

en la Figura 3.6 para un período de 5 días (120 horas). De manera general se

puede apreciar que los mayores valores de reactividad puzolánica para cada uno

de los compósitos se alcanzan al calcinarlos entre los 750ºC y los 800ºC y existe

una tendencia generalizada a la disminución de la reactividad al aumentar la

temperatura de calcinación por encima de los 800ºC. Esta disminución de la

reactividad al calcinar la materia prima a 850ºC puede estar asociada a la


54

presencia de calcita y también a la disminución de la superficie específica

producto de la calcinación, especialmente para la muestra YG-C1 calcinada a

850ºC. Por lo tanto, para las arcillas de este yacimiento se recomiendan

temperaturas de calcinación en el rango entre los 750 y los 800ºC. La reactividad

puzolánica de los productos de calcinación se corresponde con el contenido de

minerales arcillosos en las materias primas.

Figura 3.6 Valores totales de calor acumulado

3.3.2 Comportamiento físico-mecánico en morteros estandarizados.

El comportamiento de los morteros con sustituciones de un 30% de los

productos de calcinación a tres temperaturas de los diferentes compósitos en

los ensayos de resistencia a compresión se muestra en la Figura 3.7. Se

utilizaron como valores de referencia los resultados de la serie con 100% de

CPO (P 35). La desviación estándar de los resultados de resistencia a la

compresión fue inferior al 5% en todos los casos, para un 95% de confianza.


55

Figura 3.7 Resistencia a la compresión de los morteros con 30% de sustitución de

CPO por arcillas calcinadas.

Los mejores resultados de resistencia mecánica a tanto a los 7 como a los 28

días se alcanzaron al utilizar las muestras calcinadas entre 750 y 800ºC, , lo cual

está en correspondencia con los resultados de la calorimetría isotérmica (R3), y

con los valores de superficie específica obtenidos de la caracterización del

material calcinado. Los valores de resistencia a los 28 días de las muestras

calcinadas entre 750 y 800ºC superan en todos los casos los valores de la serie

de control elaborada con P-35. Es necesario señalar que aunque los valores de

resistencia mecánica de las muestras calcinadas a 850ºC se encuentren por

debajo de los de la serie de referencia, estas alcanzan buenos resultados con un

mínimo de 25,8 Mpa. La reactividad de los diferentes compósitos a temperaturas

de calcinación de 850ºC puede estar limitada por la presencia de calcita, que en

el proceso de calcinación se combina con fases activas de la arcilla, y puede

formar compuestos vítreos no estequeométricos, de baja superficie específica y

que limitan la disponibilidad de fases reactivas para la reacción puzolánica. La

formación de estos compuestos ocurre en presencia de fuentes de calcio (caliza)


56

y fuentes de sílice y alúmina (arcillas y feldespatos) y es termodinámicamente

probable a la temperatura de calcinación (Taylor, 1990). Los mejores resultados

se obtienen para las muestras calcinadas a 750 y 800 0C ya que se evita la

formación de fases ricas en calcio y el efecto fundente del CaCO3, y a su vez no

disminuiría la superficie específica ni la reactividad puzolánica.


57

3.4 Conclusiones parciales del capítulo.

La disminución de la reactividad al calcinar la materia prima a 850ºC

puede estar asociada a la presencia de calcita y también a la disminución

de la superficie específica producto de la calcinación, lo cual se evidencia

especialmente para la muestra YG-C1-85.

Los productos de calcinación de las muestras compósito del depósito

Yaguajay presentan una buena correlación entre el calor liberado y la

resistencia a la compresión. De forma general existe una tendencia lineal

de la resistencia a la compresión a los tanto a los 7 como a los 28 días y

el calor liberado determinado por R3.

Las trincheras que se encuentran en la zona sur del yacimiento son las

muestran un mayor contenido de humedad poseen por su cercanía al

canal y a la zona baja del yacimiento.

CONCLUSIONES GENERALES

58

CONCLUCIONES GENERALES

De forma general los contenidos de caolinita y calcita para una misma

muestra son inversamente proporcionales, y el contenido de caolinita

disminuye en el orden YG_C1 > YG_C2 > YG_C3, lo que hace a la región

centro-este del yacimiento la más adecuada para su explotación como

fuente de arcillas para la obtención de materiales puzolánicos.

Los altos contenidos de humedad en las muestras constituyen un factor

fundamental a considerar en una futura utilización del yacimiento a escala

industrial, sugiriendo la necesidad de utilizar una estrategia de secado in

situ.

Para las arcillas de este yacimiento se recomiendan temperaturas de

calcinación en el rango entre los 750 y los 800ºC, ya que los mayores

valores de reactividad puzolánica para cada uno de los compósitos se

alcanzan en este intervalo y existe una tendencia generalizada a la

disminución de la reactividad al aumentar la temperatura de calcinación

por encimas de los 800ºC.

Los resultados de la calorimetría isotérmica (R3) y los valores obtenidos

en los ensayos de resistencia mecánica en morteros guardan una

estrecha relación, pues en todos los casos se alcanzaron los mejores

resultados con las muestras calcinadas entre 750 y 800ºC pertenecientes

a las muestras compósitos YG-C1 y YG-C2 lo cual a su vez está en

correlación con el % de caolinita de estas.

El efecto de la temperatura de calcinación en la superficie específica es

claramente perceptible a partir del aumento del diámetro medio con el

incremento de la temperatura de calcinación, probablemente asociado al

incremento de los procesos de aglomeración de partículas, y en el

correspondiente decrecimiento del área superficial.

RECOMENDACIONES

59

RECOMENDACIONES

Extender el estudio realizado a otros yacimientos que presenten

potencialidades para su empleo como fuente de materiales puzolánicos

pertenecientes a la secuencia arcillosa denominada Arcillas Bamburanao.

Evaluar estrategias de secado in situ que permitan evitar el transporte de

material con altos % de humedad hasta la fábrica de cementos Siguaney.

Realizar un estudio a mayor profundidad, que abarque dentro de lo posible

todo el corte de las arcillas para conocer cuáles son realmente sus

potencialidades para la producción de materiales puzolánicos.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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