CAPITULO DESCRIPTIVO

Sector tecnológico

La presente invención revela un procedimiento para el tratamiento de residuos de la industria ladrillera y cerámica, con el fin de usarlos en la industria cementera; lo cual implica un ahorro significativo en lo energético y económico de las industrias 15

relacionadas, como lo son la construcción e infraestructura.

Antecedentes

La industria del cemento genera impactos ambientales negativos importantes tales como la generación de emisiones atmosféricas, efluentes contaminados, altos consumos de energía y generación de residuos. Al mismo tiempo se generan impactos negativos para la salud humana, tanto para los empleados de esta industria como para las comunidades cercanas a estos emplazamientos industriales. Esta industria usa hornos rotatorios los cuales se emplean para producir cemento; se puede llevar a cabo en proceso húmedo o en proceso en seco. Los hornos giratorios elevan los materiales a temperaturas superiores de 1400 °C. Las materias primas principales son piedra caliza, arena de sílice, arcilla, aluminio y hierro. Se introduce yeso durante la fase final del proceso con el fin ofrecer propiedades de fraguado al cemento. La tecnología de hornos de cemento se emplea en todo el mundo. Usualmente, las plantas de cemento se ubican cerca de las canteras de piedra caliza a fin de reducir los costos de transporte de materia prima.

Los impactos ambientales negativos de las operaciones de cemento ocurren en las siguientes áreas del proceso: manejo y almacenamiento de los materiales (material particulado), molienda (material particulado), emisiones durante el enfriamiento del horno (material particulado, gases de combustión como monóxido (CO) y dióxido de carbono (C02), óxidos de azufre y nitrógeno y en general gases de efecto invernadero). Los contaminantes al recurso hídrico se encuentran principalmente en los derrames del material de alimentación del horno (alto pH, sólidos suspendidos, sólidos disueltos, principalmente potasio y sulfato), y el agua de enfriamiento del proceso (calor residual).

i El polvo, especialmente la sílice libre, constituye un riesgo importante para la salud de los empleados de la planta cuya exposición provoca la silicosis. Algunos de los impactos mencionados pueden ser evitados completamente, o atenuados más exitosamente, si se escoge el sitio de la planta con cuidado.

En Colombia, en promedio se produce anualmente cerca de 8.1 millones de toneladas de cemento y se genera una huella de carbono de aproximadamente, y 0.5 toneladas equivalentes de C02 por tonelada producida de cemento.

Por otra parte la industria colombiana de ladrillos y cerámica no solo genera huella de carbono por la utilización de combustibles en sus proceso de cocción que es aproximadamente 0.2 toneladas equivalentes de CO2 por tonelada producida de ladrillos y 0.3 toneladas equivalentes de CO2 por tonelada producida de cerámica respectivamente, sino también genera una gran cantidad de residuos sólidos inertes (roturas o rechazos de producto final) los cuales se estiman en 117.000.000 kilos/año (117 mil toneladas/año). Cerca de un 67% de estos residuos son enviados a botaderos, un 6% es almacenado por el fabricante solo un 26% es reutilizado, tal como se observa en la siguiente tabla:

A raíz de lo expuesto anteriormente se hace necesario buscar alternativas basadas en el concepto de desarrollo sostenible, con el objeto de diseñar nuevos materiales cementantes o similares que contribuyan a reducir los impactos ambientales negativos a través del reciclaje de residuos industriales y generar nuevos productos que contribuyan a mejorar la calidad de los concretos.

En la actualidad se han desarrollado algunas alternativas para el reciclado de residuos de la industria de ladrillos y cerámica, estos desarrollos se pueden observar en los siguientes documentos de patente: La patente CN10236357 con titulo "Waste chamotte brick regeneration and utilization method, and concrete doped with waste chamotte brick poder" la cual describe un método para el reciclaje de residuos un ladrillo de arcilla, estos residuos son triturados, cribados y mezclados con el cemento en una proporción de 0-30 % P/P.

El documento CN 104529363 "Method for preparing building material by utilizing waste ceramics and modified plant fibers", señala el uso de desechos de cerámica y otros materiales de construcción, junto con fibras vegetales modificadas para la elaboración de materiales de construcción, básicamente ladrillos.

Así como el documento CN103613300 "Recycling and treatment process and device for waste ceramic by crushing and grinding and pre-mixed concrete" donde se describe un proceso que comprende las siguientes etapas: trituración primaria la cerámica hasta un tamaño de partícula nominal < polvo de arena de 4 mm, repetir las etapas de trituración hasta obtener un tamaño de partícula de 0.315mm, estos polvos finos serán usados para sustituir la arena natural a la hora de elaborar hormigón.

Todas las invenciones anteriormente descritas efectivamente hacen uso de los residuos industriales de la producción de ladrillos y cerámica, pero su fin está orientado a la fabricación del concreto u hormigón con el objetivo de lograr remplazar el uso de la arena o la grava en algunos casos; pero no están orientadas a ser un material cementante capaz de remplazar o mezclarse con el cemento para ser utilizado en mezclas de concreto, morteros y prefabricados.

Este nuevo concepto es relevante por varias razones; una de ellas es porque el costo de producción de los nuevos materiales cementantes a partir de residuos de ladrillos o cerámica es menor al costo de producción del cemento, por tanto, sustituir parcialmente el cemento en la fabricación de concreto reduce los costos, así como también logra reducir la huella de carbono, ya que la huella de carbono de la industria de los ladrillos y de cerámica es menor que la del cemento en términos de toneladas equivalentes de CO2 por tonelada producida, y finalmente se valorizan los residuos de la industria de los ladrillos y cerámica aplicando el concepto de ciclo de vida de un producto (de la cuna a la cuna). En la actualidad se han enfocado esfuerzos para reciclar los residuos industriales de la fabricación de ladrillos y cerámica en aplicación como: agregados para concretos y como adición al cemento, sin embargo no se han realizado esfuerzos para obtener materiales cementantes que logren reemplazar al cemento y que logre mitigar la reactividad en el concreto, es así que estos materiales cementantes que esta invención propone, tienen similares características a las del cemento.

Descripción detallada de la invención

Los materiales cementantes que la invención propone, han sido diseñados y desarrollados para resolver las problemáticas mencionadas, puesto que al usar residuos industriales de la fabricación de ladrillos y cerámica, y una vez convertidos en materiales cementantes, generan un menor impacto ambiental ya que se emiten menos gases de efecto invernadero y a su vez una menor huella de carbono que la fabricación de cemento.

Se deben identificar los lugares de generación de residuos industriales ya sea de ladrillos y/o cerámica. A cada residuo se le deben hacer un proceso de selección inicial en el cual se verifique que no cuenta con partículas u materiales contaminantes como plásticos, maderas, carbón, cenizas, metales, otros; seguido se realiza una caracterización de materiales para identificar la composición química, la composición mineralógica, la cantidad de amorfos, la perdida de ignición y la temperatura a la cual fue modificada su estructura cristalina inicial.

Una vez identificado el potencial uso como materiales cementantes de los residuos, se deben pasar por procesos industriales de trituración, molienda y micro molienda. Una vez el material obtenga la finura de granulometría especial se debe evaluar la viabilidad técnica del material con las materias primas que requieren los concretos, morteros o prefabricados. Si las propiedades del material cementante son correctas en comparación con las del cemento, se debe fijar el porcentaje adecuado para ser sustituido por cemento en matrices de concreto, morteros y prefabricados. Descripción detallada del proceso

A) Selección de material Residuos de ladrilleras

Se deben seleccionar productos cementantes, elaborados a partir de los ladrillos (estructurales y no estructurales, tejas, adoquines) cocidos defectuosos . Estos son materiales sílico-aluminosos cocidos a temperaturas entre 500 -1100 °C, libre de contaminantes de ceniza blanca o negra, carbón, material recocido, madera, plástico, metales, libre de humedad. Para esta labor se debe mirar las cartas de producción de estos materiales.

Residuos de cerámica

Los residuos de cerámica cocida (lavamanos, sanitarios, revestimiento, refractarios, aisladores, plafones, vajillas) tendrán las características requeridas tales como: material sílico-aluminoso cocido a temperaturas entre 700 - 1300°C, libre de contaminantes de ceniza blanca, de materiales metálicos, madera, plástico, lodos, polvillos de proceso de confinación de material particulado, humedad. Para esta labor se debe mirar las cartas de producción de estos materiales.

B) Triturar

Residuos de ladrilleras

El material seleccionado se pasara por molinos a fin de trituración primaria - secundaria y finalizando con una micro molienda proceso en donde se obtendrán una finura del material correspondiente a unos retenidos en mallas 325 (45 mieras), 400 (38 mieras) y malla 635 (20 mieras) menor al 10 % y una humedad menor al 5% con la finalidad de ser usado como sustituto parcial de cemento.

Residuos de cerámica

Los residuos de cerámica cocida tendrán las características requeridas tales como: material sílico-aluminoso cocido a temperaturas en un rango entre 700 y 1300°C, libre de contaminantes de ceniza blanca, de materiales metálicos, madera, plástico, lodos, polvillos de proceso de confinación de material particulado, humedad, otros y serán pasados por tratamientos de disminución de partículas a través de una trituración primaria -secundaria y finalizando con una micro molienda proceso en donde se obtendrán una finura del material correspondiente a unos retenidos en mallas 325 (45 mieras), 400 (38 mieras) y malla 635 (20 mieras) menor al 10 % y una humedad menor al 5% con la finalidad de ser usado como sustituto parcial de cemento.

C) Mezclar finos

Mezclar finos de residuos de productos cementantes (ladrillos cocidos defectuosos) y residuos de cerámicas (piezas de cerámica cocidas defectuosas) a razón entre (60:40), (40:60) (50:50) o individualmente para la generación del material cementante correspondiente.

D) Crear composición cementosa

Los porcentajes de sustitución en matrices de concretos a partir de diseños de 2500 PSI a 12000 PSI es del rango del 1% al 30%.

E) Inhibidor de condiciones de agregados reactivos

Los porcentajes de adición en matrices de concretos aplica para cualquier tipo de diseño, se maneja porcentaje de adiciones desde el 5% hacia adelante dependiendo de qué tan reactivo es el agregado que contiene la matriz concretera.

Ventajas

Propiedades de los materiales cementantes: alta finura, resistencia química, resistencia mecánica, inhibidor de condiciones de agregados reactivos (reacción álcali - agregado) y alta actividad puzolánica. Estos materiales se consideran similares al cemento por:

I. Su composición química

II. Su granulometría

III. Su índice de Puzolanicidad IV. Su interacción en la matriz de concreto

V. Durabilidad en resistencias

VI. Su manejabilidad

VII. Incorporación en la matriz cementante

VIII. Inhibidor de reacción álcali - agregado

Estos materiales dependiendo de la aplicación pueden ser usados tanto como sustituciones parciales en cemento como en adiciones para el concreto, teniendo en cuenta que en el momento en que se trabaje como adición van a actuar como un inhibidor de las reacciones álcalis - agregado en el concreto.

Hay que tener en cuenta que la reactividad de los agregados se da por: Condiciones Ambientales Temperatura

Fuentes externas de Alcalis

Resultados

^¡ i

Características físico químicas

Una de las primeras ventajas con las nuevas composiciones cementosas es que mantiene características similares a los cementos tradicionales, en la tabla a continuación se resalta su índice puzolanicidad el cual aunque es variable por la naturaleza de los materiales, siempre oscilara cerca del 100%, la humedad no supera el 5% aunque usualmente está en el 1%, la granulometría es igual a los cementos tradicionales al igual que su tiempo de fraguado.

Cemento Cemento Nueva composición

Indicador

portland puzolánico cementosa

índice de

100% 100% 85% - 140%

Puzolanicidad:

Humedad: <1 % < 1 % < 5% <40% Malla 325, <50%

RM325 : RM325 :

Granulometría Malla 400, <80% Malla

8% 8%

600

Tiempo de

120 120 120

fraguado (min)

Respecto a la composición química, destacamos la alta presencia de S1O2 y AI2O3 importante para la reacción puzolánica, aunque la cantidad de CaO es baja, por eso es importante que el material cementante cuente con una cantidad adecuada de cemento para poder reaccionar y actuar en la matriz de concreto

Para mayor compresión de lo anterior, representamos esquemáticamente la reacción puzolánica como sigue:

Ca(OH) ₂ + H ₄ SiO ₄ → Ca ²⁺ + H2SÍO4 ² - + 2 H2O→ CaH ₂ SiO ₄ ^■ 2 H2O

Desempeño

Frente a un patrón de cemento tipo especial (concretero) se comparó el desempeño de dos composiciones que contiene el 7% y el 10% del nuevo material cementante, el porcentaje restante es cemento. La prueba mide el porcentaje de desempeño para alcanzar una resistencia específica, en este caso 4000 PSI. La siguiente gráfica nos muestra que estas nuevas composiciones alcanzan más rápido el desempeño de 4000 psi, con una ventaja de 4 días para lograr un desempeño mínimo del 100% (4000 psi)

Desempeño de Materiales cementantes en

Diseño de Concreto de 4000 PSI

Prueba estándar para la reactividad potencial

Este método de ensayo proporciona un medio para detectar el potencial de un agregado para uso en hormigón, mide la expansión interna potencialmente perjudicial. Si el hormigón expande más de 0.1% de su longitud en una edad temprana (tres primeros días), se consideran un hormigón deficiente. Los agregados de buena calidad (agregados naturales, grava y arena de rio) que evitan que el hormigón sea defectuoso, sin embargo estos agregados cada vez son más escasos y costosos.

Una de las grandes ventajas de este nuevo material cementante, es permitir usar agregados de calidad menor tales como minerales silicios y evitar la expansión interna, evitar la reactividad potencial. Es así como en la gráfica que se muestra a continuación se observa como el uso de este nuevo material cementante en diferentes proporciones puede reducir considerablemente la reactividad potencial, especialmente las composiciones con sustituciones del 15 y 20%, las cuales muestran una expansión del 0.1 después de 11 días.

Pias

La gráfica anterior se basa en la prueba según la ASTM C 1567 la cual permite determinar la eficiencia dé una adición (humo de silice, ceniza o puzolana) para minimizar o neutralizar la reacción.