Cementos ecoeficientes basados en puzolanas alternativas procedentes de la industria cerámica

Abstract

En los próximos años el porcentaje de materiales reciclados o reutilizados tiene que ir en aumento, debido a que el depósito en vertedero es la opción menos satisfactoria. Por lo tanto, el aprovechamiento al máximo de cualquier subproducto generado durante un proceso industrial tiene que tener carácter prioritario. Una de las formas de reciclar estos materiales, es buscar aplicaciones concretas de uso que sean factibles con las características de los mismos. Las técnicas de reutilización de residuos han sido históricamente practicadas, si bien es cierto que a pequeña escala y circunscrita, casi en exclusiva, a la construcción. No en vano, la construcción es una excelente industria para la absorción de cuantiosas cantidades de residuos, ya sea tal y como se presentan (cenizas volantes y humo de sílice) o bien una vez sometidos a ciertos procesos de adecuación previa (materiales de demolición). La industria cementera ha sido pionera en la reutilización de subproductos industriales en la fabricación de cementos hidráulicos, ya que éstos aportan ventajas económicas, medioambientales y tecnológicas de relevancia para el sector, lo que ha facilitado su incorporación en las normativas internacionales al respecto (Calleja, 1969,1970; Soria, 1983; Malhotra, 1987; Taylor, 1997; Siddique, 2008; Sánchez de Rojas et al., 1989; Frías and Sánchez de Rojas, 1997.; Sánchez de Rojas et al., 1999). Sin embargo, durante los últimos años, se está observando una disminución creciente de la disponibilidad de estas puzolanas tradicionales, motivadas principalmente por los cambios tecnológicos en el proceso industrial y/o cambios por el uso de combustibles alternativos. Este hecho origina ciertas dudas o incertidumbres sobre el futuro de los cementos comerciales elaborados con estos materiales. Como consecuencia de ello, se tiene previsto para la próxima revisión de la normativa europea EN197-1, la obligación de aceptar, por todos los estados miembros, la inclusión de nuevas puzolanas a las ya existentes, que permita una mayor flexibilidad a los sectores implicados para solventar los nuevos retos de la sociedad del siglo XXI. Por este motivo, las investigaciones recientes se están focalizando en la búsqueda de nuevos residuos, que por sus características puedan utilizarse como materiales puzolánicos en futuros cementos comerciales. Estas investigaciones se encuadran dentro de las líneas prioritarias de la industria del cemento, de las directrices de las políticas medioambientales a nivel mundial, priorizando el reciclado de los residuos industriales como materias primas frente al vertedero, y finalmente con la Comisión Europea sobre la eficiencia del co-procesado de residuos en el sector cementero, como elemento clave para luchar contra el cambio climático y alcanzar el objetivo de reducir las emisiones comunitarias de gases de efecto invernadero entre el 80-90% en 2050 (Oficemen, 2011; Isrcer, 2011; Infocemento, 2011). El objetivo principal de la presente Memoria para la obtención del Título de Doctor es la valorización de un subproducto industrial (lodo cerámico) procedente de las etapas de esmaltado y molturación de la industria cerámica como adición activa al cemento. Para alcanzar este objetivo, se lleva a cabo un plan de trabajo basado en cinco fases experimentales y una teórica: La primera fase abarca la caracterización química, física, morfológica y mineralógica del lodo cerámico con el fin de determinar si sus propiedades son las idóneas para su incorporación como adición al cemento. De los estudios realizados se desprende que el lodo cerámico está formado por aglomeraciones esféricas, cuyos tamaños de partícula oscilan entre las 0,9 y las 100 micras, cuya composición mineralógica principal está constituida por cuarzo, caolinita y moscovita. La suma SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 es superior al 70%. En la segunda fase se estudia la cinética de la reacción puzolánica en el sistema lodo cerámico/cal. Para ello se aplica un ensayo acelerado denominado Método de la Disolución Saturada de Cal, utilizado tradicionalmente por el Grupo de Investigación "Reciclado de Materiales" del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC). La caracterización de los productos formados durante la reacción puzolánica se estudia mediante Difracción de Rayos X y microscopía electrónica de barrido (SEM) con microanálisis por difracción de rayos X (EDX). Los resultados muestran la formación de aluminatos cálcicos hidratados que, junto a los geles CSH (silicato cálcico hidratado) son los compuestos característicos de la reacción puzolánica. En la tercera fase se aborda la influencia del lodo cerámico en el sistema lodo/cemento pórtland mediante el estudio del comportamiento físico-mecánico y microporosidad de las nuevas matrices cementantes. En esta fase se evalúa el comportamiento de los cementos diseñados de acuerdo a la normativa vigente, constatando que las dosificaciones estudiadas permiten la elaboración de cementos tipo CEM II/A 42.5R, CEM II/B 32.5R y CEM IV 32.5R que cumplen todos los requisitos de la norma UNE EN ISO 197-1. La cuarta fase trata los aspectos de durabilidad en pasta de cementos. Para ello se somete a las probetas a ensayos de durabilidad en diferentes medios agresivos (agua de mar, cloruros y sulfatos) y a ciclos hielo-deshielo. Se concluye que, en líneas generales los cementos adicionados con lodo cerámico presentan mejor comportamiento frente a los medios agresivos que el cemento sin adicionar, sin embargo sufren mayor degradación frente a los ciclos hielo-deshielo. La quinta fase tiene como objetivo valorar si ciertos elementos químicos no deseables presentes en el lodo cerámico, tales como zinc, plomo, zirconio, cromo y titanio, son susceptibles de sufrir lixiviación. Los ensayos realizados muestran que los lixiviados de las pastas realizadas con adición de un 20% de lodo cerámico son similares a los obtenidos para el cemento patrón. Finalmente, se realiza un estudio teórico industrial sobre dos escenarios diferentes acerca de la posibilidad de utilizar el lodo cerámico como adición al cemento en las diferentes fábricas españolas. De los resultados finales de la presente investigación se concluye que el lodo cerámico se comporta como un material puzolánico susceptible de ser empleado como adición activa al cemento, mejorando ciertos aspectos como la durabilidad.