aridos ligeros concreto

ÁRIDO LIGERO EXPANDIDO A BASE DE RESIDUOS:ASPECTOS TÉCNICOS Y ECONÓMICOS

Por: Xavier Elías CastellsDirector: Bolsa de Subproductos de CataluñaBarcelona, junio de 2000

1. EL ARIDO LIGERO

El árido ligero es un material física y químicamente neutro, que no desprende gases ni malos olores, no sepudre y no es atacable por parásitos, hongos o roedores. No le afectan las substancias químicas y esaltamente resistente a las heladas y a los cambios bruscos de temperaturas.

Definición: Cuerpo de geometría aproximadamente esférica y diámetro variable. Aspecto exterior lisoy razonablemente impermeable. La factura muestra un interior cavernoso y lleno de celdillas.

1.1 Características y aplicaciones

Debido a que su principal propiedad es la ligereza, sus aplicaciones más directas se hallan en la construc-ción para la fabricación de materiales aislantes: Paneles, bloques, bovedillas, etc. Una buena aplicaciónconsiste en la rehabilitación de antiguas cubiertas de fibrocemento, para lo cual se prepara un hormigóncon árido ligero en lugar del denso convencional, logrando dos objetivos: Conseguir un buen aislamientotérmico y eliminar el problema medioambiental que supone al fibrocemento en climas calurosos y secos.

Desde el punto de vista de la seguridad, los hormigones fabricados con áridos ligeros conservan un 80%de la resistencia mecánica a temperaturas superiores a 600ºC. A este factor hay que sumarle un mayorpoder aislante, lo cual mejora todavía más sus cualidades frente al fuego.

Otro campo de aplicación se encuentra en la protección de los suelos de cultivo, ya que aplicado sobre latierra de jardines, macetas o jardineras cumple funciones importantes como:

� Proteger de las heladas y los climas extremos.� Retener la humedad y reducir el encostramiento por efecto del calor.� Crear una superficie atractiva con su forma esférica y el color cerámico característico, sobre el

cual las plantas adquieren realce.

1.2 Generalidades sobre los áridos ligeros

De la estructura liviana de los áridos ligeros se derivan sus principales características, entre ellas se debedestacar:

2 · Revista de Subproductos Industriales de Colombia

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Aplicación: Es un sustituto para los áridos convencionales (rocas naturales) que se usan en el hormigónpara aligerarlo.

Ventajas: La densidad del árido ligero oscila entre la mitad y un tercio de la densidad del árido natural,lo cual supone que el nuevo hormigón sea mucho más liviano y la estructura del edificio más ligera ybarata. Paralelamente, su gran porosidad interna supone un gran poder de aislamiento térmico. Asípues, el uso del árido expandido favorece al medio ambiente en:

� No se extraen áridos naturales de la naturaleza.� Se valorizan los residuos fabricando áridos ligeros.� Se propicia un ahorro de energía al aislar mejor los edificios.

Variedad de granulados: Además de las rocas naturales densas hay una gama de áridos ligeros que,según las circunstancias, puede sustituir al árido convencional en la formulación de los hormigones:

� Áridos ligeros naturales: Pueden emplearse tal y como se encuentran en la naturaleza:Lavas, piedra caliza porosa, tufa volcánica, entre otras.

� Minerales naturales: Precisan tratamiento previo: Arcilla, esquistos carbonosos, vermiculitas, etc.� Áridos artificiales procedentes de residuos: A partir de cenizas volantes, escorias porosas,

fangos de EDAR, estériles de minería, etc.

El ALER (árido ligero expandido a base de residuos) se debe incardinar este último apartado. Además,tiene la ventaja de presentar una menor densidad.

Vermiculita expandida

Perlita tratada

ALER

Arcilla expandida

Esquisto expandido

Escoria espumada

P. calcárea porosa

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

DENSIDADES DE ÁRIDOS LIGEROS(Valores medios en kg/m )3

La figura precedente muestra la densidad aparente de diversos áridos. Los dos primeros, con densida-des muy reducidas, provienen de arcillas naturales que deben ser sometidas a un tratamiento térmicoprevio para lograr una expansión. Por lo general, se emplean en la formulación de hormigones aislantespara una gama de temperaturas medias (Temperatura de pared máxima alrededor de los 800 ºC).


La arcilla expandida tradicional se obtiene a partir de arcillas naturales (el esquisto también puede considerar-se una arcilla natural) con elevado contenido en hierro (óxido férrico). Cuando en determinadas condicionesde cocción se reduce a óxido ferroso, desprende oxigeno, circunstancia que se aprovecha para expandir. Estemismo principio se puede aplicar empleando ciertos residuos de naturaleza orgánica que se descomponen acierta temperatura provocando una elevada formación de gases.

2. PROPIEDADES DEL ALER

Las propiedades del árido condiciona las de los hormigones. La más importante de todas es la densidadaparente y esta es una función del tamaño aparente del grano. El principio de fabricación del árido ligerose basa en la expansión que experimentan los gases ocluidos y formados durante el proceso de tratamientode una masa de arcilla mezclada con residuos cuando se los somete a un brusco incremento de tempera-tura. Así pues, las propiedades serán consecuencia de los ingredientes principales: La arcilla, los residuosy su proporción relativa.

En cuanto a la arcilla, no todas se expanden y algunas tampoco permiten la correcta expansión, dejandoun árido poroso (La porosidad en el árido es una característica que reduce el agua necesaria para elfraguado, lo cual no significa que invalide el material como árido). De hecho se precisa de un tipo dearcilla que sea capaz de formar vidrio a relativa baja temperatura.

Los residuos susceptibles de ser incorporados a la masa son numerosos. En principio, es preciso quetengan una proporción de materia orgánica importante, puesto que ésta es el elemento expansor cuando,debido al proceso térmico, se transforma en gas y se expande. Residuos que cumplan estos requerimien-tos hay muchos:

� Fangos de EDAR, de papelera, textiles, etc.� Purines y residuos ganaderos en general.� Cenizas volantes.� Escorias de incineradora.

Es evidente que la cantidad de residuo que puede formar parte del árido dependerá de la caracterizacióndel citado residuo y de las propiedades finales que deba tener el árido.

2.1 Caracterización del residuo

Los residuos expuestos anteriormente contienen una parte de naturaleza orgánica y otra de inorgánica.Es obvio que esta última está muy próxima, desde el punto de vista estructural, a las arcillas. La fracciónorgánica no es normal en las arcillas naturales, sin embargo no es incompatible y de ello se encarga elproceso térmico. La gráfica siguiente muestra una proporción habitual en la relación; fracción orgánica/inorgánica para los residuos citados anteriormente.

Con independencia de la proporción de material orgánico/inorgánico, los residuos suelen caracterizarsepor contener dos tipos de contaminantes: Los compuestos orgánicos, más o menos biodegradables con eltiempo, y los metales pesados. En los párrafos siguientes se expone como son tratados este tipo de conta-minantes durante el proceso de formación del árido expandido.

2.2 El proceso cerámico

Con las particularidades propias del proceso de expansión, que se comentarán en el apartado correspon-diente al proceso térmico, la formación de árido expandido es claramente un proceso cerámico, el cual secaracteriza por la siguientes etapas:

� Mezcla íntima de las materias primas. En este caso el residuo y la arcilla, o arcillas.� Trituración del conjunto hasta una distribución granulométrica que asegure la mezcla homogé-

nea del conjunto y el futuro desarrollo de las reacciones de índole cerámica.� Conformación, o granulación, de la mezcla para conferir el diámetro, o diámetros, precisos.� Cocción a la temperatura deseada.

La etapa de cocción es la más crítica. Durante la cocción existe una etapa de descomposición del retículodel mineral de arcilla que provoca una inestabilidad del conjunto, lo cual da lugar a la formación de la faseamorfa, líquida a esta temperatura, que hace las veces de elemento aglutinador del conjunto. Esta fasepermanece hasta el final de la cocción y, con frecuencia, una parte de ella recristaliza y origina fasescristalinas muy estables.

La fase de ceramización es la que requiere explicaciones de carácter ambiental. La fracción inorgánica delos fangos, en particular los metales pesados presentes, se insertaran en la fase amorfa de la matriz cerámi-ca. Es interesante diseñar la pasta cerámica de manera que la temperatura a la que la viscosidad de la faseamorfa formada es mínima, sea inferior a la temperatura de volatilización de los metales (en puridadóxidos) pesados presentes, con ello se evita cualquier posibilidad de pérdida de metales. Por lo que hacereferencia al resto de las fases minerales de naturaleza inorgánica presentes en los fangos: Arenas, arcilla,limos, carbonatos, etc., son de naturaleza idéntica a los diversos minerales que contienen las arcillas enestado natural, por tanto no requieren ninguna precaución especial.

2.3 El proceso térmico

El proceso térmico habitual en la cocción de una arcilla convencional consiste en la elevación constante ypaulatina de la masa arcillosa hasta una temperatura que oscila alrededor de los 1.000 ºC. En el caso dela formación del árido expandido el proceso es radicalmente diferente. La elevación de la temperatura esmuy brusca. Con ello se persigue que la capa superficial de arcilla vitrifique antes que comience laceramización de las capas internas. De esta manera la incipiente vitrificación de la �piel� externa impe-dirá la salida de los gases formados en el interior, obligando a un hinchamiento.

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Fangos de EDAR

Purines

Cenizas volantes

Escoria deincineradora

0 20 40 60 80 100 120

Orgánico

Inorgánico

Desde el punto de vista ambiental este proceder reviste unas características dignas de mención. La frac-ción orgánica presente en el interior de la masa cerámica esta sometida, en primer lugar, a una etapa depirólisis (calentamiento/degradación de la materia orgánica en ausencia de oxigeno). En estas circuns-tancias la fracción orgánica pasa, parcialmente, a la fase gaseosa (y también vapores). Una parte de losgases y vapores son retenidos en el interior de la masa, lo que ayuda a hinchar y el resto sale al exterior,donde encuentra una temperatura altísima y son destruidos (oxidados). En el interior permanece unafracción residual de carácter carbonoso (coque) de color característico negro que también colabora con laexpansión, debido a su porosodad.

En la medida en que prospera el proceso, la temperatura va en aumento, una parte del aire (u oxigeno)residual presente en el interior de la masa oxida total o parcialmente la fracción residual de la materiaorgánica aun remanente. Desde la óptica de la destrucción térmica, el proceso es similar. Los compues-tos gaseosos presentes, o formados, son oxidados totalmente y abandonan la cerámica en forma de CO2y H2O, o son gasificados (oxidados parcialmente) y emitidos al exterior, donde las altas temperaturasreinantes garantizan su correcta eliminación.

3. CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES

El empleo del árido expandido en la formulación de hormigones da lugar a una serie de propiedades quebien vale la pena enumerar.

3.1 Reducción del peso en las obras

Como sea que en los hormigones la mayor parte del peso lo aportan los áridos, disminuyendo la densidadde éstos se reduce el peso del hormigón y, a la vez, se reduce también el valor del coeficiente de conductividadtérmica del mismo. El hormigón convencional tiene una masa volumétrica de 2300 Kg/m3 y un coeficien-te de conductividad térmico de 1 W/mºK. Existe una clara correlación, como muestra la tabla siguiente,entre la densidad y la conductividad térmica para diversos materiales y, en particular, los hormigonesligeros.

MATERIAL Masa volumétrica Conductividad térmicakg/m W/mºK

Hormigón de escoria 1250 0,38metalúrgica porosa

Esquisto expandido 1370 0,58

Arcilla expandida 1300 0,5

Hormigón de arcilla 1600 0,6expandida


3

Mas

a vo

lum

étri

ca d

el h

orm

igón

(se

cado

en

la e

stuf

a) k

g/m

1600

1500

1400

1300

3

esquiato expansivo (Berwilit) arena naturalarcilla expansiva (Liapor) (20% volumenarcilla expansiva (Detoon) de granulado)

arcilla expansiva (Detoon) sin arenaesquiato expansivo (Norlit) natural

30 40 50 60

Resitencia a la compresión a los 28 dìas (N/mm )2

3.2 Comportamiento mecánico de los hormigones deáridos ligeros

Está universalmente aceptado, normalizado y extendido el uso de áridos ligeros para su empleo en lafabricación de hormigones estructurales, lo cual abre el campo de utilización de estos áridos a casi todaslas aplicaciones. Los valores característicos de resistencias de hormigones a la compresión, al cabo de 28días, preparados con áridos ligeros son perfectamente válidos para el empleo de éstos para aplicacionesestructurales.

Lógicamente, también existe una correlación, esta vez inversa, entre la resistencia mecánica y la densi-dad. Obviamente la resistencia mecánica mayor corresponderá a aquellos hormigones que en su compo-sición contengan mayor cantidad de cemento y árido de mayor peso específico.

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3.3 Áridos ligeros en hormigones estructurales

La posibilidad de fabricar paredes y prefabricados de hormigón a base de áridos ligeros ha supuesto unaexplosión en el uso de los mismos, ya que facilitan el montaje, transporte y, ya en obra, unas mejoresprestaciones técnicas (ahorro térmico). Los esquemas siguientes muestran diversas aplicaciones de hor-migón con áridos ligeros en paredes y techos.

Panel de fachada prefabricada en hormigón ligero (resistencia al aplastamiento: 17 N/mm2) hormigón decategoría II

Ejemplo de utilización de hormigón de categoría III.


Barra transversal

Losas en hormigón ligero categoría III

Armadura continua

3.4 Uso del ALER en agricultura

Una variante del árido expandido, básicamente en cuanto al diseño de la red capilar, permite usar elALER como substrato para fines agrícolas. En la Escuela Superior Estatal de Horticultura deWeihenstephan (Alemania) se han analizado más de 142 tipos de áridos expandidos presentando un altogrado de dispersión. De ellos, sólo unos cuantos, además de ser útiles en la construcción, también lopueden ser en agricultura.

Para el uso de la arcilla expandida en la horticultura se tienen que considerar otros criterios de calidadademás de los requeridos en el ámbito de la construcción. La característica más importante es el conteni-do en sales solubles. Para la evaluación de la calidad además se tiene que considerar la composición de lassales, la existencia de materias fitotóxicas y el valor del pH.

De todos los ensayos, el más significativo es la capacidad de absorción de agua con el tiempo. La mayorparte de los áridos expandidos, de interés agrícola, muestran un valor del 75% de absorción de agua a los5 minutos de la puesta en contacto del árido con el agua. La variedad de ALER fabricado con arcilla yfangos procedentes de la industria papelera ha sido probado y certificado por el IRTA (Institut de Recercai Tecnologia Agroalimentària), ente dependiente del Gobierno Autónomo Catalán, para este fin.

La figura adjunta muestra la concentración de metales pesados en un proceso de ceramización en unaaplicación muy parecida. Se trata de un balance de masa. Los valores teóricos son los que cabría esperaren el material cerámico a partir de los metales aportados por el residuo, mientras que los valores realesestán extraídos del análisis o test de lixiviación.

4. ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES DEL ALER

La fabricación de áridos ligeros a partir de residuos es un buen método para valorizar los residuos y evitarel despilfarro de materia prima que supone el vertido indiscriminado. El sistema propuesto es respetuosocon el medio ambiente ya que la correcta ceramización supone la destrucción de los compuestos orgáni-cos presentes en los residuos y la retención, en la matriz vítrea, de los metales pesados.

El árido ligero fabricado es un material inerte como lo puede ser un ladrillo, por lo tanto, suponiendo queno pueda destinarse a las funciones propias de árido ligero, admite otros fines como agregado en:

� La incorporación a formulaciones para fabricar prefabricados de hormigón más ligeros.� La adición a masas cerámicas para fabricar ladrillos de menor densidad y con propiedades

aislantes.� Uso como granel para relleno de terraplenes.� Finalmente, si no hay una alternativa de valorización, siempre puede ir al vertedero. La diferen-

cia es que ahora el residuo tratado es absolutamente inerte y puede verterse a un depósito debanales en lugar de a uno de residuos especiales. La diferencia de coste de uno a otro vertederocompensa, en algunos países, el coste de tratamiento.

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INERTIZACIÓN POR CERAMIZACIÓN

5. MANUALES Y BIBLIOGRAFIAExiste numerosa información, así como manuales de aplicación de hormigones ligeros, como:

� Manual de hormigones de granulados ligeros.� Ficha de información sobre granulados ligeros para hormigones estructurales.� Ficha de información sobre granulados ligeros para hormigones ligeros aislantes y estructurales.� Recomendaciones para hormigones estructurales de áridos ligeros.

5.1 Bibliografia y normativaLibros

1- Castagnetti A. - I Calcestruzzi Leggeri. - Milano, ITEC 1974.2- Cormon P. Bétons Légers d`aujourd`hui. - Paris, Eyrolles 1973.3- Weigler H, Karl S. - Hormigones Ligeros Armados. - Barcelona, Gustavo Gili 1974.4- Association Europeenne de Ciment. - Constructions en béton léger. - Roma, Aitec 1974 (Hay versio nes inglesa e italiana. Contiene 6 comunicaciones y una recopilación de obras significativas).5- CEB/FIB. - Lighweight Aggregate Concrete, Manual of design and technology. - Lancaster, The Construction Press, 1977.6- Short A., Kinniburgh W. - Lightweight Concrete, Londres, ASP, 1978 (3ª edición).7- Proceedings of the First International Congress on Lightweight Concrete. - Londres, Cemente and Concrete Association, 1968 (2 volúmenes, el primero con 21 cominicaciones y el 2º con las cusiones).8- Proceedings of the Second International Congress on lightweight Concrete. - lancaster, The Construction Press, 1980 (Contiene 24 comunicaciones).9- American Concrete Institute, Comitee 213. - Guide for Structural Lightweight Aggregate Concrete. - Detroit, ACI, 1979.

Normativa

10- NFP 18-309. - Granulats d`Argile Expansée fabriqués en four rotatif.11- ASTM C-330. - Standard Specification fot lightweight aggegates for structutal concrete.12- ASTM C-331. - Standard Specification fot lightweight aggegates for structutal concrete masonry units.13- DIN 4226 Blatt 2. - Zuschlag fur Beton; Zuschlag mit porigem gefuge (Leichtzuschlag).14- BS 3797. - Specification for lightweight aggregates for concrete.


Pb Zn Cu Cr

Valores teóricosValores reales

METALES PESADOSPresencia en ppm

200

150

100

50

0

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6. PROBLEMÁTICA GENERAL

El uso del árido expandido en Europa y América es muy antiguo. Hasta aproximadamente la década delos sesenta el árido expandido se empleaba, casi exclusivamente, para mejorar el aislamiento térmico. Apartir de esta fecha su uso se generaliza y se permite utilizarlo para fines estructurales. Sólo en Europa,incluyendo Rusia y los países del este, existen más de 140 fábricas de árido expandido. En cambio enEspaña sólo hay una. Como explicación más primaria puede aducirse que el país goza de un clima mástemplado pero ello es, a todas luces, insuficiente.

El análisis de mercado del árido expandido en España gira sobre dos ejes bien diferenciados. En primerlugar el nivel de adopción, por parte de los promotores y constructores, del árido como nuevo material deconstrucción y, en segundo lugar, el estadio de conocimiento y promoción que llevan a cabo los técnicosprescriptores.

España, gozando de un clima suave, destina cerca del 22% de los recursos de energía primaria al sectorterciario y residencial y, en particular, a la calefacción. Ello es una clara consecuencia de que los edificiosno estén debidamente aislados (el aislamiento encarece la obra, en cambio los gastos de calefacción lospaga el inquilino una vez adquirida la vivienda). Por otra parte, la confección de cualquier obra conáridos ligeros siempre resulta más cara si no se tienen en cuenta los otros parámetros técnicos. A todo ellohay que sumar el espíritu rentabilizador a corto plazo, que guía a la mayor parte de los promotores.Además, por pura ley económica: Si el mercado es poco receptivo la producción de árido es baja y suprecio de venta alto.

También hay que valorar el hecho de que en España está muy extendido el uso del ladrillo cerámico comoelemento de cerramiento. En los países centroeuropeos se utiliza mucho el hormigón aligerado con áridoexpandido para cerramiento y el acabado final se lleva a cabo con plaquetas cerámicas. Todo ello condu-ce a que el nuevo material sea difícil de introducir y que nuestro país figure a la cola en el ratio de uso deárido expandido por habitante.

Por la parte de los prescriptores el panorama no es más halagüeño. Buena parte de ellos ignora lo que esel árido expandido. Otros lo conocen pero ignoran sus posibilidades (por ejemplo, que puede usarse comoelemento estructural) y otro colectivo sabe que no debe incluirlo en el pliego de condiciones ya que, debidoa su precio, será rechazado.

Para redondear el panorama hay un tercer componente, la Administración, que juega un papel pasivo. Sibien hay directivas de la edificación (normas NBE-CT-79, o bien la catalana NRE-AT-87) que obligan aconstruir con unas determinadas calidades de aislamiento térmico, su puesta en marcha real es desprecia-ble. Por otra parte, no hay ninguna política que propugne la penalización de extracción del árido conven-cional en su doble vertiente: La de extinción de un recurso natural y la de reducción del impacto medioambiental.

De todo lo expuesto se deduce que para promocionar el uso del árido expandido se debe:

� Producirse a gran escala para propiciar que la economía de escala minimice su coste defabricación.

� Llevar a cabo una labor de promoción entre técnicos, prescriptores y utilizadores.� Conseguir que la Administración obligue a cumplir las normas de edificación, refuerce las

de protección de la naturaleza y postule que en las obras públicas se utilice el árido expan-dido.


7. LA FABRICACIÓN

La fabricación del árido ligero, a partir de residuos, consta de tres fases principales:

� Recepción y acondicionamiento de las materias primas. Esta fase incluye la mezcla,homogeneización, trituración y peletización.

� Secado de la mezcla, si la humedad resultante del conjunto supera el 20%. Esta etapa serealiza aprovechando el calor residual del proceso.

� Cocción de los gránulos. Enfriamiento y expedición.

También existen otras etapas, periféricas a la fabricación pero imprescindibles, como:

� Generación de energía eléctrica en una turbina de vapor a partir del calor sensible de losgases del horno.

� Acondicionamiento de los gases de escape antes de ser emitidos a la atmósfera.

En la figura siguiente se muestra un esquema del conjunto.

aridos ligeros concreto

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