Influencia de la calcita en la eficiencia energética de la producción de ladrillos (página 2)

El uso del carbonato de calcio como aditivo para disminuir el consumo energético en la producción de ladrillos cocidos, ha sido estudiado por varios autores, (Cultrone et al., 2000; Jordan et al., 2001) en estos casos, dicha adición, se reporta generalmente en grandes cantidades (entre el 15 y el 35% en relación al peso de la arcilla), para temperaturas de quema entre 900-1000ºC. En estas condiciones hay que tener en cuenta los cambios que introduce la presencia de carbonatos en las propiedades mecánicas de los ladrillos, que consiste básicamente en reducción de resistencia y durabilidad, lo que pone un límite máximo teórico a esta adición hasta el 10%, (Elias, 2004).

El presente trabajo parte del principio de utilizar pequeñas dosis de carbonato de calcio (menos del 10% del peso de arcilla) como aditivo fundente en la fabricación de ladrillos cocidos. A este nivel de adición casi todo el carbonato de calcio presente se combina con la arcilla, y la disponibilidad de óxido de calcio sin combinar es menor, por lo que la probabilidad de que se produzca el efecto perjudicial es también menor. La presencia del fundente permite bajar la temperatura de quema a valores por debajo de los que normalmente necesita la arcilla en su cocción. De esta forma se puede elevar la eficiencia energética durante el proceso de fabricación, sin el peligro de afectación de las propiedades mecánicas y de durabilidad de los ladrillos.

Discusión y desarrollo

La investigación se desarrolló en dos partes: Primeramente se trabajó en el laboratorio en observar y comprender los cambios mineralógicos y la influencia de esta adición en especimenes de arcilla quemados a varias temperaturas en presencia de carbonato de calcio, vistos en la escala microscópica y en la macroscópica. Posteriormente los resultados obtenidos en el laboratorio fueron verificados en hornos reales a través de la realización de un estudio de la introducción de pequeñas adiciones de carbonato de calcio en el proceso productivo de dos grandes fábricas donde se elaboran materiales cerámicos: los combinados de cerámica roja de Cienfuegos y de Manicaragua, ambos ubicados en la región central de Cuba.

2.1 Organización de la experimentación

Para el estudio se usó una arcilla ordinaria con una composición mineralógica muy heterogénea para el experimento. Esta se obtuvo de una cantera que se encuentra muy cerca de una fábrica de ladrillos ubicada en el municipio de Placetas en la provincia de Villa Clara y ha sido usada por varios años para fabricar ladrillos cocidos. Los ensayos de rayos X a la arcilla indicaron que los minerales presentes en esta son motmorillonita y caolinita (los resultados del ensayo de rayos X a la arcilla usada en el experimento se muestran en la Figura 1). Se adquirió Carbonato de Calcio de alta pureza en el mercado local para ser usado como adición mineral. La tabla 1 muestra la composición química de ambos materiales.

Fig. 1: Difractogramas (rayos X) de suelo en su estado natural, y después de un proceso de separación de fracción fina y gruesa.

La arcilla seca fue mezclada con carbonato de calcio finamente molido hasta una finura de 64 micras (100% pasado por el Tamiz #100), en dos proporciones: 2% y 5% de la masa total de arcilla. La masa fue humedecida entre un 8-10%, homogeneizada y moldeada en moldes cilíndricos de 3.5 cm de diámetro, que fueron sometidos a una presión de moldeo de 7 MPa. Las probetas cilíndricas del material se secaron a temperatura ambiente por 3-5 días, luego se sometieron a la cocción en un horno eléctrico. De la misma manera se fabricó una serie de control sin CC. La tabla 2 muestra toda la información sobre los especimenes fabricados.

Tabla 1. Composición química de los materiales utilizados en el trabajo a escala de laboratorio.

El proceso de cocción se dividió en dos fases: a) La eliminación del agua combinada hasta los 500°C, y b) Alta temperatura de quema. Los especimenes se mantuvieron por 2 horas en la fase a) y 2 horas en la fase b). Se usaron dos temperaturas de cocción: 900°C y 1000°C en la fase b). La figura 2 muestra los diferentes regímenes de cocción.

Tabla 2. Muestras ensayadas.

Los especimenes producidos fueron sometidos a los siguientes ensayos:

• Resistencia a la compresión, densidad y absorción de agua.

• Medida de la porosidad de los ladrillos a través del ensayo de Porosimetría por Intrusión de Mercurio.

• Observación de la superficie de la fractura de los ladrillos por el Microscopio Electrónico de Barrido.

• Análisis mineralógico de muestras finamente molidas de las probetas a través de la difracción por rayos X.

• Observación de superficies pulidas de los ladrillos en el Microscopio Electrónico Petrográfico y de Barrido.

También a escala de laboratorio se llevó a cabo el estudio de la influencia de la adición en pequeñas cantidades de carbonato de calcio en la durabilidad de los ladrillos cocidos, para ello se elaboraron en este caso ladrillos y no probetas, los que se fabricaron en un taller artesanal y se quemaron con la adición del 5% de CC en un horno a temperaturas de 900°C y 1000°C por espacio de tres horas. Los ladrillos ya cocidos fueron sometidos a Resistencia a la compresión, Densidad y Absorción, según la norma cubana NC 54 – 224 – 82: Especificaciones de calidad para el ladrillo estándar.

Figura 2: Régimen de cocción de los especimenes fabricados

2.2 Introducción del carbonato de calcio como fundente en el proceso producción de ladrillos cocidos en los combinados de cerámica roja de Cienfuegos y Manicaragua.

El estudio se llevo a cabo en dos combinados de cerámica roja ubicados en la región central del país: en la fábrica de bloques cerámicos "Fructuoso Rodríguez" ubicada en la ciudad de Cienfuegos y en el combinado de cerámica roja de Manicaragua.

A partir de los resultados obtenidos en la fase investigativa a escala de laboratorio se procedió a acometer el estudio de la introducción del carbonato de calcio como fundente en el proceso de producción de ladrillos huecos de cerámica roja en ambas fábricas; los pasos seguidos fueron los siguientes:

• 1. Modelación de la etapa de cocción con el objetivo de obtener la curva de temperatura vs tiempo para dos hornos de diferente eficiencia energética: Horno Hoffman y horno criollo discontinuo para quemas de ladrillos sin adición y con adición de carbonato de calcio.

• 2. Determinar el ahorro de combustible que significaría la adición de un 2% de carbonato de calcio a los bloques cerámicos, ya sea por disminución de la temperatura de cocción en el horno Hoffman en el caso de la fábrica de Cienfuegos o por la reducción del tiempo de cocción en el horno discontinuo de la fábrica de Manicaragua.

• 3. Verificar la calidad de los ladrillos producidos a escala real con la adición de pequeñas cantidades de carbonato de calcio a través de la realización de ensayos de resistencia a la compresión y de absorción de agua.

Discusión de los resultados a escala de laboratorio

3.1 Propiedades mecánicas

La figura 3 muestra los valores promedio de resistencia obtenidos en los cilindros ensayados y la desviación estándar correspondiente. Se ensayaron series de 6 especímenes, en los que se produjo una desviación estándar que oscilo entre 2-3 MPa. Para los cilindros quemados a 900°C la adición de pequeñas cantidades de CC fue aparentemente la responsable de un significativo incremento de la resistencia a la compresión, especialmente los hechos con el 2% de adición. Los resultados cuando se usa un 5% de CC no son tan altos como los anteriores, aunque son aún superiores a los de las series de control. El incremento del tiempo de cocción de 2 a 3 horas no parece tener influencia en el comportamiento mecánico de las probetas.

Una reacción completamente diferente ocurre en las probetas quemadas a 1000°C. Los valores promedios más altos fueron obtenidos por las series de control sin CC, y la adición de pequeñas cantidades de CC parece decrecer la resistencia a la compresión de las mismas.

Figura 3. Resultados de los ensayos de Resistencia a la compresión a las probetas.

Contrario a lo que ocurre en las experiencias anteriores referidas (Cultrone et al., 2000; Jordan et al., 2001), donde la adición de carbonato de calcio en proporciones entre el 15-35% de la masa de arcilla produce caídas de resistencia; la adición de pequeñas dosis de carbonato de calcio permite reducir la temperatura de quema por debajo de la que normalmente necesita la arcilla, sin que se afecten las propiedades mecánicas de los ladrillos. La razón puede estar en que para pequeñas dosis prácticamente todo el carbonato se combina químicamente con la arcilla, y disminuye la cantidad de CaO libre, por lo que las grietas y la porosidad es menor.

Este efecto es más visible a 900 °C, temperatura que en la arcilla sin fundente (serie patrón) no ha sido completamente cocida y tiene aún una baja resistencia. La adición de pequeñas dosis de carbonato de calcio permite lograr una sinterización más completa a esta temperatura, lo que se refleja en aumento de la densidad y resistencia de la muestra en relación a la muestra patrón. A 1000 °C la arcilla sinteriza completamente y la serie patrón alcanza su resistencia máxima, y la adición de carbonato de calcio produce una ligera caída de resistencia, aparentemente por los cambios en la porosidad que produce la presencia e hidratación del óxido de calcio y el proceso de vitrificación.

3.2 Estructura de poros

La Figura 4 muestra los resultados del ensayo de Porosimetría por Intrusión de Mercurio realizado a las probetas cilindricas con el objetivo de evaluar las características del sistema de poros de los ladrillos. Las series de control quemadas a 900°C muestran una distribución de tamaño típica con un pico alrededor de 1 miera (MI). La cantidad de poros más pequeños así como poros por debajo de una miera se incrementa en muestras con carbonato quemadas a 900°C (M2), aparentemente por dos razones: a) la transformación del Carbonato de calcio en CaO trae consigo un sistema con poros más pequeños y b) la formación de microfisuras producidas durante la hidratación del CaO (Cultrone at al., 2004).

La observación de la superficie de fractura de estos ladrillos en el Microscopio Electrónico, presentada en la Figura 5, indica claramente la presencia de pequeños poros y también de pequeñas fisuras.

Figura 4. Resultados de los ensayos de MIP de las muestras M1, M2 y M7.

Las probetas hechas con CC y quemadas a 1000°C, mostraron una típica distribución de radio de poros hacia poros más grandes, quiere decir poros con tamaños por encima de una miera; el incremento del tamaño de los poros está asociado con la formación de material vidriado, que cierra los pequeños poros, y reduce el volumen de sólido, y aumenta el diámetro de los poros (Cultrone et al., 2004). La cantidad de poros más pequeños decrece en comparación con la muestra de 2% de CC quemada a 900°C, lo cual podría indicar que la vitrificación a 1000°C es mayor que a 900°C (Figura. 5) Lo dicho anteriormente es confirmado por la presencia de vidrio en las fotos del Microscopio electrónico de estos ladrillos, presentadas en la Figura 6a, aparentemente producido por la acción fundente del carbonato de calcio. La presencia de los pequeños poros es probablemente causado por las microfisuras producidas durante la hidratación del CaO, como se presenta en la figura 6b. Las fisuras son más grandes y más frecuentes en comparación con las de los ladrillos quemados a 900°C.

Fig. 5: Fotos de microscopio electrónico de cilindros con 2% de CC quemados a 900 oC

La Figura 7 muestra los resultados de los ensayos de absorción de agua realizados a las probetas y la desviación estándar correspondiente. Contrariamente a lo que se esperaba, la diferencia entre los resultados de todos los especimenes fue muy pequeña. Los mejores resultados fueron obtenidos por las muestras quemadas a 1000°C. Este resultado era de esperar a partir del incremento de la vitrificación que se produce, discutida arriba. En todos los casos ni la adición de CC ni el tiempode cocción parece tener influencia en la absorción de agua. Todos los ladrillos cumplieron los requerimientos de absorción de agua según la norma española UNE 67-019.

Fig. 6: a) Presencia de material vítreo en muestras con 2% CC quemadas a 1000 oC, b) Micro fisuras en este mismo elemento.

Figura 7. Resultados de los ensayos de Absorción de agua.

Transformaciones mineralógicas

El mejoramiento de las propiedades mecánicas de los ladrillos y los cambios en la estructura de poros de la matriz resultante puede ser explicado a través de los cambios mineralógicos que tienen lugar cuando se adiciona Carbonato de Calcio, que permiten que el ladrillo alcance su resistencia requerida con una temperatura más baja de combustión, en este caso 900°C.

Tal como se muestra en la Figura 8, la muestra M3, quemada a 1000°C mostró un nuevo pico a 2-theta 22 grados que concuerda muy bien con la fase Anorthita (CaO.AL203.2Si02). Este pico no se identifica en la muestra M2, quemada a 900°C. Existen también otras bandas anchas en todas las muestras donde la Anorthita o la Albita podrían ser identificadas, probablemente como una fase existente en la arcilla originalmente quemada o como una nueva fase de Anorthita formada.

Aunque en el ensayo de difracción de rayos X realizado a todas las muestras no apareció el pico asociado con la fase Anorthita en las muestras quemadas a 900°C , aparentemente porque a estas temperaturas esta fase se forma de manera microcristalina. El mapeo de elementos (Ca, Al, Si) en secciones pulidas, realizado en el JEOL JX-8200 Superprobe confirma claramente la presencia de anorthita prácticamente en toda la sección observada (ver figura 9). La anorthita aparece como una red reticular, cuya aparición puede estar relacionada con el aumento de la densidad de la matriz, lo que provoca un aumento relativo de la resistencia en relación a la muestra patrón, en especial a temperaturas más bajas, donde la serie patrón no ha alcanzado aún su temperatura óptima de cocción. A 1000°C la resistencia de la serie con carbonato de calcio cae ligeramente en relación a la patrón producto de la vitrificación producida por el carbonato de calcio, que disminuye la densidad y por ende la resistencia, en relación a la serie patrón, que alcanza mayor resistencia por ser cocida a una temperatura más alta. Para el tipo de arcilla analizado, la muestra de menor contenido de carbonato de calcio (2% de la masa de arcilla) brinda los mejores resultados. El incremento del porciento de carbonato de calcio produce una ligera caída de la resistencia, aparentemente porque aumenta la cantidad de material sin combinar, que se convierte a CaO, y es hidratado, se producen mayores grietas de expansión y la densidad de la matriz disminuye.

Figura 8. Resultados de los ensayos de Rayos X.

Figura 9. Mapeo de Na, Ca, Al. Izquierda: Muestra M-1, derecha muestra M-2.

Discusión de los resultados

Discusión de los resultados de la introducción del carbonato de calcio como fundente en el proceso producción de ladrillos cocidos en los combinados de cerámica roja de Cienfuegos y Manicaragua.

5.1Resultados del estudio realizado en la fábrica de Cienfuegos.

En el caso de la fábrica de Cienfuegos, debido a la existencia de un horno Hoffman que permite el control de la temperatura durante la cocción de los ladrillos, se fijo la temperatura del horno en 800°C, como consecuencia de lo anterior, en la quema con de los ladrillos con adición de carbonato de calcio se redujo en 150°C la temperatura del horno.

El resultado de la modelación de la etapa de cocción se muestra a continuación en la figura 10; en dicha figura aparecen las curvas de Temperatura vs Tiempo para ambas quemas: sin adición y con adición de carbonato de calcio.

Figura 10. Curva de comportamiento en la etapa de quema del horno Hoffman de Cienfuegos.

En cuanto al consumo de combustible por concepto de disminución de la temperatura se obtuvo una diferencia significativa entre los valores de la quema realizada con adición de carbonato de calcio y sin adición. En el caso de la quema de los ladrillos con adición del 2% de calcita se obtuvo un ahorro de combustible de 30.6%.

Figura 11. Comparación del consumo de combustible en las quemas

En cuanto a la calidad del ladrillo, a continuación se muestran los resultados de los ensayos de Resistencia a la compresión y absorción a las piezas extraídas del horno.

Tabla 3. Resultados de los ensayos de Resistencia a la compresión.

Tabla 4. Resultados de los ensayos de Absorción.

Los resultados de los ensayos de calidad, demuestran que los valores de Resistencia media a la Compresión y Absorción de agua son similares para ambos grupos de ladrillos y todas las muestras ensayadas cumplen con los parámetros de calidad establecidos por la Norma Cubana NC – 360 2006.

5.2. Resultados del estudio realizado en la fábrica de Manicaragua.

El resultado de la modelación de la etapa de cocción se muestra a continuación en la figura 12, donde aparecen las curvas de Temperatura vs Tiempo para ambas quemas: sin adición y con adición de carbonato de calcio.

Figura 12. Curvas de la etapa de cocción de ambas quemas.

Como resultado de la adición del carbonato de calcio a los ladrillos; el consumo de combustible del horno se redujo en un 21.5% con respecto a la quema patrón, la temperatura media experimentó una descenso de 80°C y el tiempo de residencia en la combustión disminuyó en 3.5 horas, según se muestra en la figura 13.

Figura 13. Consumo de combustible por etapas.

Los resultados de los ensayos realizados a los ladrillos de la quema sin y con adición de carbonato de calcio se muestran en las tablas 5 y 6, y demuestran que los valores de Resistencia media a la Compresión y Absorción de agua son similares para ambos grupos de ladrillo. Tanto los ladrillos resultantes de la quema patrón como los producidos con adición de carbonato, cumplen con los parámetros de calidad establecidos por la Norma Cubana NC – 360 2006.

Tabla 5. Resultados de los ensayos de Resistencia a la compresión.

Tabla 6. Resultados de los ensayos de Absorción.

Conclusiones

1. La adición de pequeñas cantidades de carbonato de calcio (por debajo del 5 %) a la arcilla usada para producir ladrillos cocidos incrementa su resistencia a la compresión en un rango entre el 40-50%. Los mejores resultados se obtuvieron con la adición del 2%.

2.  La adición del CC trae consigo un incremento de poros más pequeños (por debajo de una miera). Estos poros provienen de la formación de CaO, y de las microfisuras producidas por la expansión del CaO durante su hidratación. Además estas grietas son más intensas en las muestras quemadas a 1000°C, en éstas la cantidad de los poros pequeños decrece, aparentemente porque la acción fundente del carbonato de calcio causa alguna vitrificación y cierra la mayoría de estos.

3.  Los resultados de los ensayos a la microestructura mostraron que la fase Anorthita se forma de manera preferente en todos los elementos, y que está bien distribuida en densas áreas, contribuyendo entonces al mejoramiento de la resistencia mecánica de la matriz. Esto es consistente con la composición química de los componentes mezclados y las condiciones en las que se realizó la quema.

4. La utilización de Carbonato de calcio como adición permite en general disminuir el consumo energético de la producción de ladrillos con las arcillas estudiadas entre un 20 y un 30%, a la vez que mantiene las propiedades físico-mecánicas del producto. Esto representa una significativa contribución a la sostenibilidad económica y ecológica de la producción de ladrillos.

6. Las aplicaciones en instalaciones reales de producción de ladrillos confirman los resultados obtenidos a escala de laboratorio y demuestran que la adición de carbonato de calcio puede ser una fuente de aumento de la eficiencia energética de la producción de este material .

Agradecimientos

Los autores desean dar las gracias a la fundación Alejandro de Humboldt de Alemania y a la Universidad de Calgary por el apoyo financiero dado a este trabajo.

Referencias

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Autor:

Dra. Arq. Dania Betancourt Cura

Profesora Auxiliar del Departamento de Ing. Civil de la Facultad de Construcciones de la Universidad Central de Las Villas. Cuba.

Universidad Central de Las Villas. Carretera a Camajuaní Km 5 ?. Santa Clara. Villa Clara. Cuba.

DrSc. Ing. Fernando Martirena Hernández

f.martirena[arroba]enet.cu

Director del Centro de Investigación y Desarrollo de las Estructuras y los Materiales de Construcción (CIDEM) de la Facultad de Construcciones de la Universidad Central de Las Villas.Cuba.

Universidad Central de Las Villas. Carretera a Camajuaní Km 5 ?. Santa Clara. Viulla Clara. Cuba.

Dr. Robert Day

Profesor de la Universidad de Calgary, Canada.

2500 University Drive N.W., Calgary, Alberta, Canada.

MSc. Ing. Yosvany Díaz

Yosvanyd[arroba]uclv.edu.cu

Investigador del Centro de Investigación y Desarrollo de las Estructuras y los Materiales de Construcción (CIDEM) de la Facultad de Construcciones de la Universidad Central de Las Villas. Cuba.

Universidad Central de Las Villas. Carretera a Camajuaní Km 5 ?. Santa Clara. Villa Clara. Cuba.