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OBTENCIÓN DE UN MATERIAL REFRACTARIO A PARTIR DE UN MATERIAL
PARTICULADO CON ALTO CONTENIDO DE OXIDO
ISABEL BOLAÑOZ RODRIGUEZ
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA DE MATERIALES
2014
OBTENCIÓN DE UN MATERIAL REFRACTARIO A PARTIR DE UN MATERIAL
PARTICULADO CON ALTO CONTENIDO DE OXIDO
ISABEL BOLAÑOZ RODRIGUEZ
Trabajo de grado para optar al título de ingeniero de materiales
DIRECTOR: MSc. OSCAR VANEGAS ESCALANTE
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERIA DE MATERIALES
PREGRADO EN INGENIERIA DE MATERIALES
2014
AGRADECIMIENTOS
Le agradezco a Dios y al espíritu santo por llenarme de entendimiento y sabiduría para
poder culminar mis estudios y darme la fortaleza para seguir adelante.
Gracias a mi familia por ser partidarios de una buena educación y darme la oportunidad
de ser una gran profesional, por sembrar en mi vida para dar nuevas cosechas,
principalmente a mi hermana por permitirme crecer como persona y crear en mi una
profesional llena de principios, Dios los bendiga.
Gracias a Jaime Sánchez por enseñarme a que en la vida la solución no es algo material, si
no que hay diferentes maneras de solucionarlo, formarme como una ingeniera y darme la
oportunidad de desarrollar mis conocimientos.
Gracias al profesor Fernando Toro por enseñarme a través del semillero de investigación,
explorar nuevos campos en la carrera.
Gracias al profesor Oscar Vanegas por asesorarme en la tesis y enseñarme nuevas cosas
en cada proceso de esta, gracias por la dedicación en este proyecto de grado.
Gracias a Kimberly Suarez por ser esa amiga incondicional y darme la fortaleza para
seguir en los momentos que pensé desfallecer.
Gracias a todos los profesores de la facultad de ingeniería de materiales por crear
estudiantes con principios y buenos profesionales.
TABLA DE CONTENIDO
1 RESUMEN ...................................................................................................................... 6
2 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 7
3 OBJETIVOS ................................................................................................................... 9
3.1 OBJETIVO GENERAL ......................................................................................................................... 9
3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS: ................................................................................................................. 9
4 MARCO TEORICO ...................................................................................................... 10
4.1 HISTORIA DE LA ESCORIA DE ALUMINIO ....................................................................................... 10
4.2 CRECIMIENTO DEL ALUMINIO. ...................................................................................................... 11
4.3 ESCORIA ......................................................................................................................................... 12
4.4 FUNDICIÓN DE ALUMINIO. ............................................................................................................ 15
4.4.1 SELECCIÓN DEL MATERIAL: ..................................................................................................... 15
4.4.2 SELECCIÓN DEL FUNDENTE: .................................................................................................... 15
4.4.3 CALENTAMIENTO. ................................................................................................................... 16
4.4.4 SEPARACIÓN: .......................................................................................................................... 16
4.4.5 LINGOTIADO (VACIADO): ........................................................................................................ 16
4.5 COMPONENTES DE LA ESCORIA. ........................................................................................... 16
4.5.1 NITRURO DE ALUMINIO ALN. ................................................................................................. 17
4.5.2 ESPINELA. ................................................................................................................................ 18
4.5.3 CORINDÓN. ............................................................................................................................. 19
4.6 NEUTRALIZACIÓN. ............................................................................................................... 19
4.6.1 OXIDO DE CALCIO (CAL). ......................................................................................................... 20
4.6.2 AGUA DESTILADA. ................................................................................................................... 21
5 METODOLOGIA .......................................................................................................... 22
5.1 ESCORIA DE ALUMINIO ................................................................................................................. 22
5.2 PROCESO DE RECUPERACION DE LA ESCORIA DE ALUMINIO ....................................................... 23
5.3 PRUEBA DE OXIDACION DEL ALUMINIO. ....................................................................................... 24
5.4 GRANULOMETRIA. ......................................................................................................................... 25
5.5 MEDICION DEL pH. ........................................................................................................................ 26
5.6 LAVADO DEL POA. ......................................................................................................................... 27
5.7 Agua a Presión. .............................................................................................................................. 28
5.8 Agua con agitación. ...................................................................................................................... 28
5.9 PROCESO DE SECADO DEL POA. .................................................................................................... 29
5.10 SECADO EN HORNO. ................................................................................................................... 29
5.11 SECADO CON ENERGIA SOLAR. ................................................................................................... 30
5.12 MANEJABILIDAD DE LA MEZCLA ................................................................................................. 30
5.13 DISEÑO DE MEZCLAS ................................................................................................................... 31
5.14 PREPARACION DE MORTEROS .................................................................................................... 31
5.15 PROPORCIONES, CONSISTENCIA Y MEZCLA DEL MORTERO ....................................................... 32
5.16 SISTEMA DE FRAGUADO Y CURADO ........................................................................................... 33
5.17 PRUEBAS DE RESISTENCIAS FISICAS Y MECANICAS DEL MORTERO CON POA. ........................... 34
6 RESULTADOS Y ANALISIS ........................................................................................ 36
6.1 Granulometría de la escoria y la arena. ........................................................................................ 37
6.2 CONCENTRACIÓN OPTIMA DEL NAOH AL REACCIONAR CON EL AL. ............................................ 40
6.3 REACCIÓN DEL NAOH EN BLOQUE DE ALUMINIO Y VIRUTA ........................................................ 40
6.4 LAVADO DEL POA .......................................................................................................................... 41
6.5 DETERMINACIÓN DE AL METÁLICO EN LA ESCORIA .................................................................... 42
6.6 RESULTADOS DEL PH. .................................................................................................................... 43
6.7 COMPORTAMIENTO DEL POA CON CAL HIDRATADA. ................................................................... 45
6.8 COMPORTAMIENTO DEL POA CON 10% CAL. ............................................................................... 45
6.9 COMPORTAMIENTO DEL POA CON 20% CAL. ............................................................................... 47
6.10 COMPORTAMIENTO DEL POA CON 30% CAL. ............................................................................ 48
6.11 COMPORTAMIENTO DEL POA CON 40% CAL Y LAVADO. ........................................................... 49
6.12 LAVADO Y SECADO DEL POA AL SER TRATADO CON CAL. .......................................................... 51
6.13 COMPORTAMIENTO DEL POA CON AGUA DESTILADA. .............................................................. 51
1.1.1 COMPORTAMIENTO DEL POA CON AGUA NORMAL Y NAOH. .............................................. 53
6.14 COMBINACIÓN DEL POA CON AGUA HERVIDA. .......................................................................... 54
6.15 PROPIEDADES MECANICAS ......................................................................................................... 56
6.16 PROPIEDADES MECÁNICAS DEL POA TRATADO CON NAOH ...................................................... 58
6.17 PROPIEDADES MECÁNICAS DEL POA TRATADO CON AGUA DESTILADA. ................................... 59
6.18 PROPIEDADES MECANICAS DEL POA COMO ADICION. .............................................................. 61
7 CONCLUSIONES ......................................................................................................... 65
8 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... 67
1 RESUMEN
En Colombia la mayoría de empresas donde se fabrican lingotes de aluminio, no se tiene en
cuenta los desechos que se generan en la etapa de fundición de la materia prima; estos desechos
son generados en gran parte por el fundente que permite la precipitación de las impurezas, estas
llevan consigo una gran cantidad de escoria de aluminio (Al escoria) que es almacenada o
desechada sin uso alguno, sin embargo esta escoria al momento de ser procesada es una gran
fuente para el uso en distintos materiales debido a sus buenas propiedades.
Las escorias salinas son un residuo generado por el procesamiento de aluminio secundario. De
acuerdo a las operaciones inmediatas que se realicen para su descarga y enfriamiento de los
hornos de fundición se tienen dos tipos de escorias salinas: suelta y compacta. Según con la Lista
Europea de Residuos, contemplada en el Convenio de Basilea, las escorias salinas del
procesamiento de aluminio secundario se clasifican como un residuo peligroso, debido a su
posible reacción con el agua o humedad del ambiente, dando lugar a la generación de gases
tóxicos o la lixiviación de elementos a los suelos o mantos acuíferos. Sin embargo las escorias
salinas de aluminio representan un residuo con un potencial de valorización importante, ya que es
posible la recuperación de subproductos como aluminio metálico y otros productos no metálicos
como óxidos y sales fundentes de sodio, potasio y magnesio.1
1 Patricia Idalia Chévez, Gabriela Alejandra Rodríguez, propuesta de alternativas de gestión de
la escoria salina de la industria de aluminio en el salvador, ciudad universitaria, (2012).
2 INTRODUCCIÓN
Los beneficios económicos y medioambientales del reciclaje de Al escoria son significativos y
relevantes , siendo uno de los aspectos más importantes debido a que la Al escoria puede ser
reciclada casi de manera completa, sin ocasionarse una pérdida del producto final. Otro aspecto a
destacar es la energía que se utiliza durante el proceso de reciclaje de la Al escoria debido a que
solo se consume de 5 a 20% de energía para la respectiva transformación de la Al escoria en
alúmina, comparada con la energía necesaria para la producción de alúmina a partir del mineral
Bauxita. La naturaleza de la obtención de este material también hace que este proceso presente un
menor impacto ambiental que el proceso de la producción de alúmina a partir de Bauxita. Sin
embargo todas estas ventajas no son suficientes para trabajar con este proceso ya que sigue
siendo fundamental la obtención de este material por medio de Bauxita o proceso Bayer.
Las escorias pueden presentar características que las clasifiquen como residuos peligrosos, esto,
si los materiales cargados contienen cantidades importantes de metales pesados y tóxicos, como
plomo, cadmio o cromo, y si éstos son potencialmente lixiviables desde la escoria. En general las
escorias de origen ferroso son no peligrosas y las procedentes de fundiciones no ferrosas se
clasifican con mayor frecuencia como peligrosas. En este caso el costo de eliminación de los
residuos es superior.
Las empresas que fabrican lingotes de aluminio en su proceso de fundición generan un
subproducto llamado escoria de aluminio, esta escoria es sometida a un proceso de molienda para
eliminar las pepas grandes de aluminio que continúan en el proceso de trituración de la escoria, al
quedar sólo el polvillo éste se recoge en bolsas y es almacenado sin darle uso alguno.
La escoria de aluminio es un desecho que se forma durante la etapa de fundición de la materia
prima ( chatarra, metales usados y lingotes de aluminio), la cual corresponde a impurezas de
chatarras y de fundentes, siendo el fundente el que remueve las impurezas en la etapa de fusión
de las materias primas, formando la escoria o nata, la cual alcanza la superficie del metal en
fusión, donde es removido antes del vaciado. La nata de la escoria sobre la superficie del metal
incrementa la eficiencia energética del proceso.2
A través de los años los procesos de la industria han generado gran proporción de productos
contaminantes a los cuales no se les da uso alguno, Esto sucede la mayoría de veces por la falta
de conocimiento que se tiene de dicho residuo, en este caso en el proceso de producción de
lingotes de aluminio se generan toneladas de un subproducto como lo es la escoria de aluminio,
la cual al interactuar con agua segrega un olor amoniacal ocasionando un alto impacto ambiental.
2 Consejo nacional de producción limpia, manejo de escorias de metalurgia en el sector de la
fundición, programa de innovación y competitividad de chile.
3 OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Evaluar el subproducto de fundición de aluminio para su uso en materiales con altas prestaciones
mecánicas.
3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Caracterizar la materia prima.
Obtener el tamaño apropiado de partícula para el conformado del material.
Obtener las condiciones óptimas para la obtención de los elementos conformados.
Evaluar propiedades físicas y mecánicas de los elementos conformados.
4 MARCO TEORICO
4.1 HISTORIA DE LA ESCORIA DE ALUMINIO
En 1825 danés H. C. Oersted comenzó a aislar el aluminio para que este fuera sometido a
diferentes procesos para la obtención de distintos materiales, fue en uno de estos procesos donde
se genero Al escoria, sin embargo en este tiempo no se tenia una claridad de que material era
este. La Al escoria se forma en el proceso de fundición del aluminio, la cantidad de Al escoria
producida es muy variable, debido a que depende de la pureza de la materia prima. A altas
temperaturas del metal fundido, las sales se funden y se vuelven oscuras, es ahí donde se da la
obtención de Al escoria, esta producción de Al escoria la mayoría de las veces se da en pepas
grandes, esta es llevada a un molino para la obtención de un polvo mas fino, luego la Al escoria
es almacenada en costales y conservada en cada una de las empresas, recogiendo gran cantidad
de toneladas por día o simplemente pagando para el desecho de esta. La contaminación de Al
escoria ha generado que este material sea transformado por medio de diferentes métodos para ser
utilizado en diferentes materiales, mejorar sus propiedades e impedir el desecho de esta al medio
ambiente.
En otros procesos para obtener escoria, habitualmente combinan la utilización de agua y aire;
estos procesos básicamente consisten en las siguientes etapas: Expansión de la escoria,
Granulación, y Enfriamiento, en algunos métodos la expansión se logra mediante el agregado de
agua, en pequeñas cantidades a la fundida, lo que provoca una hinchazón por la generación de
burbujas de vapor en su interior; inmediatamente o mientras se está produciendo la expansión, la
escoria es fragmentada o granulada al caer sobre un tambor rotativo que la arroja por fuera,
centrifuga en depósito de acopio donde se enfría. La formación de sus cristales depende
enormemente de la velocidad de enfriamiento desde el estado de fluido a solido [López padilla,
Aramayo c, 2003].
Al adicionar esta escoria de aluminio a un material compuesto cementicio se puede alcanzar
resistencia hasta de 2,94 Mpa, otros investigadores reportan resistencias entre 32 Mpa a 50 Mpa,
lo cual depende de su composición y dosificación, pues a medida que se adiciona más escoria se
incrementa la resistencia obtenida, estos resultados corresponden a 28 días de curado en húmedo.
La escoria de aluminio es reactiva al contacto con el agua, por lo cual emite emisiones gaseosas
potencialmente inflamables; estas emisiones gaseosas asociadas al efecto de la reactividad
espontánea del residuo, se caracterizan por ser elevadas durante las primeras fases del proceso
reactivo. Los resultados que se realizaron a estas emisiones ha determinado que en condiciones
de pH bajo, los principales constituyentes de las mismas son emisiones acidas como H2S y HCN
mientras que el pH se eleva, el amoniaco se incrementa [Aguilar Barroso, 2000, Hemanth Joel,
2006].
4.2 CRECIMIENTO DEL ALUMINIO.
La fundición desempeña un papel importante en la industria, ya que mediante este proceso se
pueden fabricar piezas que oscilan desde bajos gramos hasta decenas de toneladas, gracias a que
el aluminio puede reciclarse repetidamente sin perder sus propiedades intrínsecas. La creciente
demanda de Aluminio con el pasar del tiempo se ha incrementado considerablemente, debido a
las características que posee este material, ver Tabla 1.
Tabla 1. Millones de toneladas.
Año África América América
Asia Europa
Oceanía Total del Norte latina y Rusia
1973 249 5.039 229 1.439 2.757 324 10.037
1978 336 5.409 413 1.126 3.730 414 11 428
1982 501 4.343 795 1.103 3.306 548 10.496
1987 572 4.889 1.486 927 3.462 1.273 12.604
1992 617 6.016 1.949 1.379 3.319 1.483 14.763
1997 1.106 5.930 2.116 1.910 6.613 1.804 19.479
2003 1.428 5.945 2.275 2.457 8.064 2.198 21.935
2004 1.711 5.110 2.356 2.735 8.433 2.246 22.591
Fuente: Internacional Aluminium Association (desde 1973 hasta el 2004).
En los diferentes contienes, ver tabla 1. Se observa la importancia que posee este material, la
cantidad total producida en la fundición de aluminio del 10% al 20% corresponde a escoria
[URL, 3], esta la podemos encontrar como: escoria espumosa, escoria esponjosa, pómez artificial
(antiguamente) o pómez siderúrgica (en la actualidad) [López padilla, Aranyo c, 2003].
4.3 ESCORIA
La escoria de aluminio es un subproducto o resultado de la fundición de chatarra de aluminio,
tales como los recipientes de bebidas usadas, rieles de aluminio, piezas estructurales y similares y
las que resultan del tratamiento de fusión con fundentes salinos. El fundente salino se acumula
encima del producto fundido, formando escoria (dross) o nata (skim) que contiene aluminio,
óxidos de aluminio y otros elementos tales como magnesio y silicio y aleantes presentes en
diferentes aleaciones. La escoria está compuesta principalmente de una película rugosa que
encapsula una cantidad significativa de aluminio metálico sin oxidar, ver Figura No 1,
Figura No 1. Escoria de aluminio. A. Pelicula de Al2O3 B. Estructura de la Escoria.
La escoria de aluminio está compuesta principalmente por la capa oxidada (Figura 1. A y B) y se
forma sobre la superficie del metal fundido y por un porcentaje variable de aluminio (30-60%)
atrapado mecánicamente en su interior, por lo tanto su composición mineralógica juega un papel
A
importante en la determinación de su comportamiento, cuando se usa como material inerte de
ciertos productos [López padilla, Aranyo c, 2003]. La escoria se separa del caldo y normalmente
se procede a la recuperación del aluminio metálico atrapado en la escoria, se recupera por
procesos de molienda mecánica y se aísla el aluminio por tamizado. [CREPEAU, PAUL N.
Modern casteing. July 1997. Pag 39-41].
En otros procesos para obtener escoria, habitualmente combinan la utilización de agua y aire;
estos procesos básicamente consisten en las siguientes etapas: Expansión de la escoria,
Granulación, y Enfriamiento, en algunos métodos la expansión se logra mediante el agregado de
agua, en pequeñas cantidades a la fundida, lo que provoca una hinchazón por la generación de
burbujas de vapor en su interior; inmediatamente o mientras se está produciendo la expansión, la
escoria es fragmentada o granulada al caer sobre un tambor rotativo que la arroja por fuera,
centrifuga en depósito de acopio donde se enfría. La formación de sus cristales depende
enormemente de la velocidad de enfriamiento desde el estado de fluido a solido [López padilla,
Aramayo c, 2003].
Al adicionar esta escoria de aluminio a un material compuesto cementicio se puede alcanzar
resistencia hasta de 2,94 Mpa, otros investigadores reportan resistencias entre 32 Mpa a 50 Mpa,
lo cual depende de su composición y dosificación, pues a medida que se adiciona más escoria se
incrementa la resistencia obtenida, estos resultados corresponden a 28 días de curado en húmedo.
La escoria de aluminio es reactiva al contacto con el agua, por lo cual emite emisiones gaseosas
potencialmente inflamables; estas emisiones gaseosas asociadas al efecto de la reactividad
espontánea del residuo, se caracterizan por ser elevadas durante las primeras fases del proceso
reactivo. Los resultados que se realizaron a estas emisiones ha determinado que en condiciones
de pH bajo, los principales constituyentes de las mismas son emisiones acidas como H2S y HCN
mientras que el pH se eleva, el amoniaco se incrementa [Aguilar Barroso, 2000, Hemanth Joel,
2006].
Tabla 2. composición de materiales
Composición de materiales, % en
peso
Tipo de
Escoria Sio2 CaO AL2O3 FeO+Fe2O3 Na2O Tio2 V2O5 Cr MgO Al(OH)3
Red Mud 5.7 7.9 12.2 35.5 4.6 15.2 1.0 1.0 - -
Eloxal
(Dispersión) 29.82 15.83 48.21 - 1.21 - - - 3.32 1.61
Red Mud
(Hindacol)
6.9 -
8.25
5.6-
14.6
12-
22.4 25.6-33.2
3.9-
5.8
15.6-
16.5 - - - -
Red Mud
(Indal) 5-6. 0.5-1 24-26 36.0-.38
3.0-
3.5
16-
20 - - - -
Fuente: Hemant, 2006
La escoria de aluminio presenta mezclas complejas de carburos y nitruros metálicos, ver tabla 2,
se ha observado que durante las reacciones anteriormente descritas, se llegan a desprender
cantidades de otro tipo de gases tales como acetileno y metano. La reacción del agua con los
distintos compuestos presentes en la escoria se produce de forma espontanea y a temperatura
ambiente. Sin embargo, esta reacción es fuertemente exotérmica provocando una aceleración
exponencial de la velocidad y por lo tanto la generación de gases a altas temperaturas, lo que
implica que todos los gases generados sean altamente inflamables e incluso, potencialmente
explosivos; se trata básicamente de: H2 (Hidrogeno), CH4 (metano), NH3 (amoniaco), SH2
(sulfato de hidrogeno) y HCN (cianuro de hidrogeno), a estos 3 últimos gases hay que añadirle su
potencial de toxicidad para los seres vivos; asimismo, al ser un residuo solido peligroso de
origen metalúrgico, las aguas de desechos arrastran todo tipo de metales, incluidos metales
pesados altamente tóxicos como el Pb, Cr, Zn, Ca [Aguilar Barroso, 2000, Hemanth Joel, 2006].
Otro estudio realizado por López Gómez, trabajo con partículas más finas tras un tratamiento
(polvos de aluminio), que se obtienen en los procesos de molienda y clasificación de las escorias,
estos polvos son recogidos en sacos para ser compactados después de ser mezclados con el yeso,
con el fin de generar una fuerte acción deshidratante del yeso en su forma de hemihidrato para
formar el dihidrato durante la etapa de fraguado, lo que permite tener bloques para su
almacenamiento en vertederos controlados; como también nos permite disminuir los contenidos
de Almetálico, AIN y Ssulfuro en proporciones más significativas, de las que se puede obtener por
hidrólisis en agua, que consiste en recolectar los gases formados durante la hidrólisis en
recipientes cerrados para ser tratados con procedimientos convencionales, en la propia planta con
el fin de no producir un deterioro medioambiental [Lopez Gomez, Felix A, Lopez Delgado,
2004].
4.4 FUNDICIÓN DE ALUMINIO.
La fundición de aluminio se obtiene de dos fuentes: la primera es la transformación de un mineral
(Bauxita) extraído de las minas, la segunda proviene de la recuperación de la chatarra de un
proceso de selección como: pistón, Matrizado, olla, etc. Para esto se pueden utilizar diferentes
hornos como el, horno de crisol, horno de inducción, horno eléctrico, horno basculante, horno
giratorio. Las etapas del proceso de fundición de aluminio son los siguientes: selección del
Material, selección del fundente, calentamiento del horno, separación (Caldo-Escoria) y
lingotiado.
4.4.1 SELECCIÓN DEL MATERIAL:
Debido a la inmensa variedad de materiales, se realiza la selección de la chatarra de a cuerdo a la
aleación a fabricar; los materiales más empleados son: Salchichero, Matrizado/pistón, litográfica,
lingotes, perfil/perfil compactado, persiana, lamina compactada, plancha, olla, etc.
4.4.2 SELECCIÓN DEL FUNDENTE:
El fundente industrial para el aluminio se denomina COVERAL, cuya función consiste en elevar
la temperatura, de tal manera que se pueda liberar el aluminio atrapado por los componentes
formados en la fundición y otros materiales que se les ha realizado algún proceso tales como
decapado, cromado, anodizado, etc., de esta manera y por medio de la agitación manual, este
rompe el oxido y libera el aluminio.
4.4.3 CALENTAMIENTO.
Este proceso consiste en calentar el horno, dependiendo de la capacidad del horno, se introduce la
mitad de la carga del material ya seleccionado; una vez que el material ha alcanzado su punto de
fusión los elementos aleantes y demás partículas comienzan a desprenderse y por diferencia de
densidad unas flotan y otras quedan en el fondo, en este instante se introduce el fundente
(Coveral) para que el aluminio atrapado en la escoria pueda ser liberado y caiga en forma de
gotas al caldo, finalmente se realiza el mismo procedimiento para la segunda carga.
4.4.4 SEPARACIÓN:
Después que se tiene el caldo, se procede a la separación de caldo–escoria, esta es retirada a
través de una cuchara perforada, y puesta en sitios adecuados para su enfriamiento lento.
4.4.5 LINGOTIADO (VACIADO):
El caldo es transportado en cucharas especiales a sus respectivos moldes, los cuales copian su
forma ya sea en forma de lingote (forma rectangular) o de acuerdo a la pieza solicitada por el
proveedor.
4.5 COMPONENTES DE LA ESCORIA.
Los componentes de la escoria son: Corindón, Espinela, Nitruros de aluminio, oxido de hierro,
oxido de aluminio y material amorfo, según el estudio de microscopia de electrónico de barrido
(Ver capitulo 5), esta escoria puede tener aluminio metálico en un 65% a 75%, nitruro de
aluminio 2,5%, carburo de aluminio 2,5%, alúmina (óxido de aluminio) 20%; también puede
contener hierros, refractarios y otros restos de reacciones, adiciones o contaminaciones dentro del
horno [URL, 7].
4.5.1 NITRURO DE ALUMINIO ALN.
El nitruro de aluminio es un componentes de la escoria, está presente en cantidades de 10% y
20%, de formula molecular AlN, tiene una estructura cristalina hexagonal, la cual es estable a
temperaturas muy altas en atmósferas inertes [URL, 8], con una densidad de 3260 Kg/m3 en el
aire, la superficie de oxidación se produce por encima de 700 °C e incluso a temperatura
ambiente. El material se disuelve lentamente en ácidos minerales a través del ataque en borde de
grano, se hidroliza paulatinamente en el agua y es resistente al ataque de la mayoría de fundido
de sales, incluidos cloruros y criolita (empleados como fundentes). El AlN es utilizado en onda
de superficie de sensores (SAW) depositados en obleas de silicio, debido a sus propiedades
piezoeléctricas. Son muy pocos los lugares que pueden fabricar estas películas, también son
aplicados en: [URL, 6], Capas dieléctricas en medios de almacenamientos ópticos, Sustratos
electrónicos, donde el transportista chip de alta conductividad térmica es esencial, Aplicaciones
militares.
La reacción de nitruro de aluminio (AlN) en polvo con el agua ha sido conocida desde hace
tiempo, el AIN se descompone en presencia del agua, formando hidróxido de aluminio y
amoniaco a temperatura ambiente como se observa en la reacción R. 1 y R. 2. [URL, 8].
AlN + 3H2O → Al (OH)3 + NH3 R. 1
AlN + 2H2O → AlOOH (amorfo) + NH3 R. 2
NH3 + H2O → NH4+ + OH-AlOOH (amorfo) + H2O → Al (OH)3 R. 3
NH4+ + CaOH
→ NH4 OH + CaO R. 4
Esta solución presenta agua en exceso, esta reacciona con el amoniaco (básico) dando como
resultado un ion amonio, que es acido (ver R. 3), al mismo tiempo la cal se encuentra
interactuando con el agua formando hidróxido de calcio, que reacciona luego con el ion amonio
para formar finalmente el hidróxido de amonio más oxido de calcio, durante la reacción se
presenta una diferencia de densidad, donde la primera sale a flote en forma de espuma jabonosa y
la ultima queda sumergida en las partículas [Umland B., Bellama M. 1999].
4.5.1.1 AMONÍACO.
El POA al no tener un tratamiento previo hace que el AIN entre en contacto con el agua, forme
amoniaco según lo mencionado anteriormente, este es un compuesto químico cuya molécula
consiste en un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) de acuerdo a la fórmula
NH3 posee una densidad de 0,68 ×10³ kg/m³ (líquido). A temperatura ambiente, es un gas
incoloro de olor muy penetrante y nauseabundo; se produce naturalmente por descomposición de
la materia orgánica, lo encontramos en bacterias, plantas, animales y desechos de animales,
[URL, 11]. La trasformación de este compuesto es usado como material de abono, para fabricar
explosivos, plásticos, fertilizantes y en la industria de papel, de hule, textil, alimentos y
farmacéutica [Bellama M; Umland B, 1993].
Al estar expuestos a este compuesto podemos tener problemas de inhalación; provocando
irritación en la garganta, edema pulmonar, en general, daños en las vías respiratorias; al tener
contacto con esta sustancia se presenta irritación en la piel, produciendo quemaduras y ampollas
en la piel, la concentración de esta sustancia puede llegar a producir nauseas y vómitos,
produciendo daños en labios, boca y esófago si supera las 5000 ppm [URL, 11].
4.5.2 ESPINELA.
La Espinela son óxidos, también encontrados en la escoria en cantidades de 3% a 10%, de
fórmula (MgAl2O4) de forma general AB2O4, donde A es un ion metálico con valencia +2 y B es
un ion metálico con valencia +3. La celda tiene iones A (II) en una disposición cúbica centrada
en las caras (en los vértices y en los centros de las caras). Dentro de ese cubo se encuentran ocho
cubos más pequeños, cuatro de ellos constan de tetraedros AO4 y los otros cuatro cubos tienen
iones B (III) y O (-II) en los vértices, formando unidades B4O4, estas unidades AO4 y B4O4 se
distribuyen en la celda de manera simétrica. Este sistema cubico tiene una dureza de 8 en la
Escala de Mohs [URL, 9], por ser un elemento duro se espera obtener resistencia a compresión
altas, pero este se encuentra en compañía de otros elementos que disminuyen la resistencia.
4.5.3 CORINDÓN.
El corindón se presenta en la escoria, en las mismas cantidades que la espinela (3%-10%), de
formula (Al2O3) es un mineral formado por óxido de aluminio, se encuentra en la naturaleza en
forma de cristales; normalmente, en pegmatitas, anfibolitas, peridotitas, gneis o mármoles, y
menos comúnmente en rocas volcánicas. En forma amorfa, aparece como escoria en el proceso
de unión de rieles de ferrocarril mediante soldadura aluminotérmica, su dureza es un grado mayor
que la espinela. Tiene una densidad de 3,9 a 4,1 g/cm3, se cristaliza en el sistema trigonal,
formando cristales hexagonales prismáticos, tabulares, bipiramidales o toneliformes (con forma
de tonel). Es de tenacidad frágil y apenas tiene exfoliación; su fractura es concoidea, se presenta
en una gran variedad de colores atendiendo a las impurezas que tenga: incoloro, blanco, pardo,
violeta, verde, amarillo, azul o rojo; además es un agente abrasivo de gran efectividad, cuando se
usa en los sistemas de SandBlast, para preparación superficial del acero y trabajos de grabado
artístico en cristales, crea relieves con facilidad, incluso puede perforarlo y adicionándolo al agua
puede cortar los metales con ultra alta presión, o el llamado cuchillo de agua, usado también
como aditivo en la preparación del acero, le confiere características sobresalientes de
maleabilidad [URL10].
4.6 NEUTRALIZACIÓN.
La neutralización consiste en la combinación de una base con un acido para estabilizarlo, las
bases son compuestos que aumentan la concentración de ion hidróxido cuando se disuelve en
agua. El hidróxido de sodio (NaOH), el hidróxido de bario (Ba(OH)2) y el amoniaco (NH3), son
bases comunes. Las soluciones de las bases se sienten resbalosas, las partículas unitarias de los
hidróxidos metálicos de los grupos IA (1) y IIA (2), como el NaOH y Ba (OH)2, forman iones
metálicos e hidroxilo. En una solución acuosa de amoniaco los iones se forman por la reacción
química entre este y el agua tal como se observa en la R. 5:
NH3 (g) + H2O (l) → (NH4) +1
(ac) + OH-1
(ac) R. 5
Los ácidos reaccionan con las bases formando agua y sal, por ejemplo el acido clorhídrico y el
hidróxido de sodio reaccionan para formar agua y cloruro de sodio R. 6:
HCL (ac) + NaOH(ac) → H2O(l) + NaCL(ac) R. 6
De esta manera la reacción entre estas dos sustancias en proporciones indicadas en la ecuación,
desaparecen tanto el sabor acido, como la sensación resbalosa de la base y la solución que se
forma tiene sabor salado [Umland Jean, Bellama Jon]
El elemento que combina con el NH3 presente en la reacción R. 5 es el agua, siendo un
compuesto formado por dos de hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O), proveniente del latín aqua.
El agua pura no tiene olor, sabor, ni color (es decir, es incolora, insípida e inodora), el agua
líquida tiene una mínima densidad a los 100 °C, donde tiene 0,958 kg/litro. Este elemento es
fundamental para la supervivencia de nuestro peces y planetas, porque gracias a ella pueden
realizar intercambios de sustancias que no necesiten desecho y absorben aquellos que le son
esenciales para sobrevivir (oxigeno…), sin embargo, este intercambio puede tener finales
desastrosos, si son combinados con desechos como la escoria de aluminio, generando un residuo
solido peligroso [URL, 12].
4.6.1 OXIDO DE CALCIO (CAL).
El oxido de calcio hace parte importante en el proceso de neutralización, su formula química es
CaO, se obtiene calentando caliza (carbonato calcio, CaCO3) a 1175 – 1425°K en hornos
rotatorios de forma tubular, horno de cuba u horno anular, con desprendimiento de oxido de
carbono como se observa en la R 7.
CaCO3 + 88 kJ ↔ CaO + CO2. R. 7
La cal viva así obtenida, (R.7) reacciona con el agua, desprendiendo mucho calor y
transformándose en cal apagada (hidróxido cálcico, Ca (OH)2), que se utiliza desde tiempos
antiguos mezclada con arena, para preparar el mortero. [G. Enciclopedia Ilustrada C.] El
hidróxido de calcio reacciona luego con el ion amonio, según R.4.
4.6.2 AGUA DESTILADA.
El agua destilada es otro componente utilizado en los procesos de neutralización, se basa en la
unidad molecular de H2O; es decir es aquella a la que se le han eliminado las impurezas e iones
mediante destilación; la destilación es un método en desuso para la producción de agua pura a
nivel industrial, esta consiste en separar los componentes líquidos de una mezcla. Debido a su
elevada pureza, algunas propiedades del agua destilada son diferentes a las del agua de consumo
diario; es decir, la conductividad disminuye comparada con el agua del grifo común, por la falta
de iones tales como: cloruros, calcio, magnesio y fluoruros. Una propiedad importante del agua
destilada es que es potencialmente peligrosa al ser calentada en un horno microondas hasta el
punto de ebullición sin hervir y cuando esta agua sobrecalentada es agitada violentamente o se le
añaden partículas de polvo o cristales, por ejemplo: cloruro sódico (sal común) o azúcar, genera
explosión de forma repentina, debido a la ausencia de centros de nucleación que sirven para
iniciar la ebullición de una forma progresiva y evitar el sobrecalentamiento [URL, 13].
5 METODOLOGIA
La mayor parte de los productos de cerámica tradicionales y de ingeniería se fabrican
compactando polvos o partículas en formas que posteriormente se calientan a una temperatura
suficientemente alta para que las partículas se unan entre sí, en este caso la obtención del óxido se
llevó a cabo mediante una caracterización previa del material lo cual determino el proceso de
trabajo de este debido al análisis de los resultados arrojados por cada uno de los equipos. El
proceso de trabajo consistió en someter el material a un proceso térmico a elevadas temperaturas
para su transformación, trabajándolo diferentes temperaturas con el fin de analizar el
comportamiento, posterior a esto se realizó un proceso de tamizado mediante diferentes tamices
para la obtención de un material partículado fino, lo cual permitió una facilidad en el conformado
del material, por otro lado el buen procesamiento del material permitió que este tuviera buenas
propiedades mecánicas, debido a la poca porosidad en este, cabe resaltar que para obtener un
material con altas prestaciones y buenas propiedades es fundamental un buen procesamiento de la
materia prima.
La investigación se fundamenta en el aprovechamiento del Polvillo de Oxido de Aluminio
(POA). Las normas manejadas para obtener las especificaciones físicas y mecánicas son las
Normas ICONTEC 77: Tamizado de los materiales granulados (Agregados o áridos), Norma
ICONTEC 111: Método para determinar la fluidez del mortero, Norma ICONTEC 220:
Determinación de la resistencia de morteros de cemento hidráulico usando cubos de 50 mm de
lado, Norma ASTM 642: Métodos Estándar para la densidad, absorción en el concreto
endurecido.
5.1 ESCORIA DE ALUMINIO
La escoria de aluminio es un subproducto indeseable de la fundición de aluminio, este
subproducto es generado por la utilización de fundentes al momento del proceso de fundición. El
fundente es adicionado en la carga al horno o cuando el metal se está fusionando, y su adición
tiene por objetivo, remover impurezas formando la escoria o nata, la cual alcanza la superficie del
metal en fusión, donde es removido antes del vaciado. La nata de la escoria sobre la superficie del
metal en fusión ayuda a prevenir la oxidación del metal e incrementa la eficiencia energética del
proceso.3
5.2 PROCESO DE RECUPERACION DE LA ESCORIA DE ALUMINIO
Las empresas que fabrican lingotes de aluminio en su proceso de fundición obtienen un
subproducto indeseable llamado escoria de aluminio, esta escoria es sometida a un proceso de
molienda para eliminar las partículas grandes que continúan en el proceso, al quedar sólo el
polvillo éste se recoge en bolsas y es almacenado sin uso alguno, siendo este polvillo un gran
contaminante al momento de la interacción con agua debido a la segregación de amoniaco, sin
embargo, al someter este polvo a altas temperaturas el olor amoniacal se pierde y se da una
transformación de escoria de aluminio en alúmina, es por esto que se decide aprovechar este
residuo de manera que ayude al medio ambiente y se convierta en un material de altas
prestaciones.
El proceso de obtención de la escoria de aluminio se da mediante el proceso de fundición de
lingotes de aluminio, en donde la Al escoria es el precipitado en este proceso, debido a los
fundentes que se le echan mediante el proceso de obtención del lingote, esta escoria de aluminio
se lleva a un proceso de molienda de las partículas grandes, es ahí donde se obtiene una materia
prima optima para la transformación en otro tipo de material debido a que las partículas grandes
ocasionan en el material alta porosidad al momento del compactado, disminuyendo su resistencia,
por ende se trabaja con un polvillo fino para la obtención de buenas propiedades.
3 Consejo nacional de producción limpia, Guía de Mejores Técnicas Disponibles para el Manejo
de Escorias de Metalúrgica en el Sector de Fundición, tecnolimpia.
Figura 1 Proceso de recuperación de escoria de aluminio
5.3 PRUEBA DE OXIDACION DEL ALUMINIO.
La Investigación comienza con el proceso de separar las trazas de aluminio metálico que quedan
dentro de la escoria, para esto se hace reaccionar el NaOH con la escoria en medio acuoso, el
NaOH atrapa el aluminio en forma de hidróxido de aluminio, para esto se determina el
comportamiento del NaOH con el Al.
Figura 2. Reacción de Aluminio con Agua e Hidroxido de Sodio
A. Materiales B. Aluminio inmediatamente después de la adición de hidróxido de Sodio al 40%
C. Reacción después de 2
minutos
D. vista superior. Final de la
reacción.
En la figura 1 se observa un proceso de recuperación de escoria desde el momento que está en
el horno, la obtención del lingote, la precipitación de la escoria en el proceso de fundición del
aluminio, el proceso de molienda y la obtención de la escoria de aluminio.
Se tiene los materiales ver figura 5: NaOH y Al, se toman 5 g de viruta de aluminio y se
combinan con aproximadamente 20 ml de una solución de hidróxido de sodio al 40% en un tubo
de ensayo. El tubo se coloca en un vaso de precipitado alto de 2 litros, dos minutos después, una
reacción violenta provoca la producción de gas de Oxihidrógeno, ver Figura 5. C y D. El
aluminio bajo circunstancias normales no reacciona con el agua, debido a una capa protectora
impermeable compuesta de Hidróxido de Aluminio, ya sea que esta se forme en segundos o que
se encuentre en su lugar; al adicionar Hidróxido de Sodio, la formación de la capa protectora se
previene. Con la producción de aluminatos (Al (OH)4-), el anfotérico (capaz de actuar como
ácido o como base) Hidróxido de Aluminio Al(OH)3 se disuelve:
2 Al + 6 H2O
> 2 Al (OH)3 + 3 H2 R. 8
Al (OH)3 + NaOH
> Na+ + [Al (OH)4]
- R. 9
Una capa de Óxido de Aluminio previamente formada por corrosión pasiva es disuelta con la
adición de Hidróxido de Sodio. Por esta razón, la reacción toma lugar lentamente durante el
inicio [URL, 4].:
Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O
> 2 Na+ + 2 [Al (OH)4]
- R. 10
5.4 GRANULOMETRIA.
La granulometría da la distribución de las partículas de un agregado, tal como se determina por
análisis de tamices según la Norma ICONTEC 111; el tamaño de partículas del material se genera
por medio de tamices de malla en alambre de geometría cuadrada, se toma una cantidad de
material (Arena y POA) y se introduce en el primer tamiz, ver figura 6. A, por medio de
vibración el material es obligado a pasar por los diferentes tamices, las partículas gruesas quedan
retenidas en cada tamiz ver Figura 6 B y C.
Figura 3. Granulometria del POA
A.Series de tamices. B. Maquina tamizadora.
El estudio granulométrico de la arena y del POA permite determinar si el comportamiento del
POA es factible para usarlo como material de relleno.
Con la concentración óptima de NaOH mencionada en el numeral 4.1, se fija en que tamaño de
partículas se encuentra el Al metálico retenidos en cada tamiz, para determinar en qué tamices existe
menor porcentaje de aluminio metálico, ya que el propósito es trabajar con el POA libre de Al
metálico.
5.5 MEDICION DEL pH.
Con el Potenciómetro ó pH-metro (ver Figura No 7), se determina que tan acida o alcalina es la
solución formada durante la actividad, este posee un electrodo de vidrio marca Thermo Orión a
una temperatura de 25°C; se analiza el comportamiento del POA combinado con el agua y demás
componentes mostrados en la tabla No 4. El uso de este instrumento muestra la forma de
neutralizar el hedor a amoniaco con la disminución de la basicidad de la sustancia.
A B
Tabla 1 Reacciones del POA con otros elementos.
Elemento Principal Pruebas
POA Agua Normal
POA Agua Destilada
POA Agua Hervida
POA Agua y Cal
POA POA tratado con CAL
La cantidad utilizada es de 50g de POA y 100g de agua normal; el agua se introduce en un vaso
de precipitado de 50 ml (Este tiene un magnetrón encargado de agitar la mezcla), se adiciona el
POA de forma lenta, hasta que este quede completamente disuelto, a partir de este momento cada
15 minutos se mide el pH durante una hora y treinta minutos.
Figura 4. Potenciómetro
5.6 LAVADO DEL POA.
Después de tratar el POA con cal, se entra al proceso de lavado, este se puede realizar de dos
maneras: Una es con agua a presión y la otra agua con agitación.
Figura No 4. Proceso del tratamiento del POA
A.Trompo B. Estabilización C. Retención de partículas
A. Agitación de la mezcla. B. estabilización de la mezcla. C. Separación POA–Solución.
5.7 AGUA A PRESIÓN.
El POA con cal se introduce dentro de un recipiente y se agrega agua a presión hasta llenar el
depósito, la presión del agua se encarga de agitar los elementos, luego se deja en reposo durante
10 ó 15 minutos hasta que desciendan las partículas, el resto de la solución se retira de la mezcla
vertiéndola en otro recipiente, con la mezcla que queda en el fondo se repite el mismo proceso de
dos a tres veces, buscando la eliminación total de cal; Después de terminar este paso se deja toda
la mezcla en una tela y se comprime para que elimine la cantidad de liquido absorbido.
5.8 AGUA CON AGITACIÓN.
Teniendo el POA tratado con Cal en un recipiente, se suministra agua agitada manualmente por
periodos de 5 a 10 minutos, luego se deja en reposo y finalmente se retira la solución, el proceso
se repite de 3 a 4 veces. Ver figura No 4.
Figura 5. Lavado del POA
5.9 PROCESO DE SECADO DEL POA.
Después de lavar el POA con cal, este queda retenido en una tela, luego se comprime con el fin
de retirar al máximo el contenido de agua absorbida en la mezcla y facilitar el secado. El proceso
de secado se puede realizar de dos maneras: utilizando un horno ó usando la energía solar.
5.10 SECADO EN HORNO.
La mezcla antes lavada, se ubica en pequeñas cantidades sobre tres bandejas, que serán
introducidas en un horno durante una hora, a una temperatura de 100 °C, realizando inspecciones
para revolver el POA, ver figura No 4 A.
Figura 6. A. Horno (L. C Over. Con capacidad máxima de 230°C). B Sistema de secado
A B
.
A
a
A
a
B
a
5.11 SECADO CON ENERGIA SOLAR.
La mezcla del POA con cal se extiende sobre una superficie plana, esta debe estar lo más dispersa
posible, para aprovechar el secado mediante la energía solar, cada media hora se debe revolver la
mezcla hasta que la totalidad de ella quede completamente seca. Ver figura No 4 B.
5.12 MANEJABILIDAD DE LA MEZCLA
La ejecución de esta prueba se realiza según el método para determinar la fluidez del mortero de
cemento, basado en la Norma ICONTEC 111. Los equipos empleados para este ensayo son una
mesa de flujo, que comprende un plato circular de 254 +/- 2,54 mm de diámetro y 7,62 mm de
espesor, un molde cónico que se coloca en la mesa de flujo, un calibrador para las medidas más
exactas y también un palustre para el llenado de la mezcla.
Se elabora un proceso de llenado, el cual consiste en recoger la mezcla con el palustre tratando de
evitar contacto con la mano, esta se introduce en el molde cónico, luego se apisona 20 golpes con
el compactado, uniformemente hasta llenar el molde, se retira el excedente del mortero con la
ayuda del palustre sin presionar la mezcla. Luego se retira el molde cónico de forma vertical, y se
deja caer la plataforma a una altura de 12,7 mm de la base, 25 veces en 15 segundos, luego se
mide el diámetro uniformemente distribuido y se calcula el diámetro promedio, ver Ecu 1.
% FLUIDEZ = (
)x 100 Ecu. 1
5.13 DISEÑO DE MEZCLAS
Para el diseño de las mezclas se prepararon 4 componentes básicos del mortero (Cemento, Agua,
Arena y POA), estos elementos deben ser cuidadosamente combinados en un trompo mezclador
de concreto hasta tener una mezcla homogénea. La secuencia de carga de los ingredientes en la
mezcladora representa un papel importante en la uniformidad del producto terminado. Sin
embargo, se puede variar esa secuencia y aún así producir material prefabricado de calidad. Las
diferentes secuencias requieren ajustes en el tiempo de adicionamiento de agua y POA.
Figura 7. Diseño de mezcla.
La mezcla patrón que contiene Cemento – Agua – Arena, se compara con las dos restantes ver
figura No 12, incrementando la dosificación de POA de 15% y 30% con respecto al peso de la
arena. De esta misma forma se realizan las mezclas con el agua destilada, agua hervida, y agua
con NaoH.
5.14 PREPARACION DE MORTEROS
La fabricación de morteros se basa en la Norma ICONTEC 220, que establece el método para
determinar la resistencia a la compresión de morteros de cemento hidráulico usando cubos de 50
mm de lado.
5.15 PROPORCIONES, CONSISTENCIA Y MEZCLA DEL MORTERO
Para la fabricación de los moldes de 2 pulg2, las probetas no deben tener más de tres
compartimientos y las uniones deben estar bien sujetas; las paredes de los moldes se deben
engrasar, para una separación fácil de los morteros, una vez cumplidos las 24 horas de su
fabricación, ver Figura No 13. Las proporciones de la masa para formar un mortero normal deben
ser una parte de cemento seco por 2,75 partes de arena seca. Las cantidades de los elementos
anteriores deben ser mezcladas para obtener 6 cubos de ensayos, estos deben ser de 500 g de
cemento y 1375 g de arena, para un total de 9 cubos; la cantidad de agua de amasado debe ser
aquella que produzca una relación mínima de agua/cemento, para el caso de adoquines se
recomienda una relación cercana a 0,35 g. Según Norma ICONTEC 220, para fabricación de
adoquines.
Figura No 7. Moldes para morteros.
Los pasos para la fabricación de los morteros consisten en tener los 4 componentes ya dosificados
(Cemento – Agua - Arena - POA), para la preparación de la pasta según las normas técnicas
Colombianas, se introduce agua en el mezclador y luego el cemento, se realiza una mezcla por 30
segundos, después de este tiempo se introduce la arena, sin parar la mezcladora y se esperan
otros 30 segundos, al cabo de ese tiempo se detiene la mezcla, se raspan las paredes internas del
mezclado, luego se tapa con un trapo y se esperan 15 segundos, finalmente se realiza una mezcla
rápida en un tiempo de 60 segundos.
Después de terminar la pasta, esta se introduce en cada uno de los compartimientos de los
moldes. El llenado se debe hacer de la siguiente manera, en la primera capa no más de la mitad
del compartimiento se apisona con 32 golpes durante 10 segundos, estos golpes se aplican en 4
etapas de 8 golpes adyacentes cada uno, los golpes de cada etapa deben darse siguiendo una
dirección perpendicular a los de la anterior. La presión del copactador debe ser tal que asegure el
llenado uniforme, esta se realiza en tres capas hasta llenar el molde. La superficie de los cubos
debe alisarse con el palustre y debe ser perpendicular a la longitud del mismo, ver Figura No 8.
Figura 8. Llenado de los moldes.
5.16 SISTEMA DE FRAGUADO Y CURADO
Los morteros se introducen en la cámara húmeda, en un tiempo de 20 a 24 horas, la cámara debe
tener las condiciones adecuadas para que las muestras puedan ser almacenadas con facilidad.
Además, debe mantenerse a una temperatura de 23 °C +/- 2 °C y una humedad no menor de
90%, al cabo de 24 horas, se retira de la cámara húmeda y se procede a desmoldar los cubos,
donde será almacenado en una cámara de curado durante 7, 14 y 28 días de curado, ver Figura No
9.
Figura 9. Cámara de curado.
Los días mencionados anteriormente, son los días en los cuales se evalúan las propiedades de
resistencia a comprensión y a los 28 días las propiedades físicas.
5.17 PRUEBAS DE RESISTENCIAS FISICAS Y MECANICAS DEL MORTERO CON
POA.
Las propiedades más importantes para la elaboración del concreto son las resistencias mecánicas,
físicas y de durabilidad, para este proyecto se estudian solo propiedades mecánicas (Compresión)
y físicas (Densidad aparente y Absorción), la forma de expresar las medidas es en términos de
esfuerzo, generalmente en Kg/cm2, en algunos casos en pulgada cuadrada (p.s.i.). La equivalencia
que hay entre los dos es que 1 p.s.i. es igual a 0.0703 kg/cm2, pero hoy en día se expresa en
Mega-pascales (Mpa), de acuerdo al sistema internacional de Unidades.
Figura No 8. Resistencia a la compresión.
En la prueba de propiedades mecánicas (comprensión), la posición de los cubos debe ser
perpendicular a la que tienen durante su preparación, con el fin de tener una precisión de
5kg/cm2; después de que cumplan los días de curado (7, 14, 28) se procede a introducirlos a la
máquina de comprensión, ver figura No 8.
El estudio de propiedades físicas se evalúan la absorción y la densidad aparente, en este caso se
debe cumplir la Norma ASTM 642; al realizar la prueba podemos decir que de acuerdo a los
tipos de agregados encontramos partículas que tienen poros saturables y no saturables, que
dependiendo de su permeabilidad pueden estar vacíos parcialmente, saturados o totalmente llenos
de agua, generando así una serie de estados de humedad y densidad. Con la densidad aparente de
los agregados se puede determinar el diseño de las mezclas, porque con ella se estipulan la
cantidad de agregados requeridos para un volumen determinado de concreto, como también
determina la textura y acabado superficial del material.
Las muestras con POA que cumplieron los 28 días, son llevadas a un horno (ver figura No 11.
A), a una temperatura de 100° C durante un tiempo de 24 horas, luego se sacan del equipo y se
dejan enfriar al aire libre durante dos horas aproximadamente y se pesan; terminada la prueba se
llevan los mismos especímenes a un recipiente con agua a una temperatura de 21° C, no menos
de 24 horas, se sacan las muestras, se secan superficialmente y nuevamente se pesan, llamándolo
muestra saturada y superficialmente seca,finalmente se realiza el peso hidrostático y se calcula la
cantidad de absorción y densidad aparente con la ecuación 1 y 2 planteada en el marco teórico.
6 RESULTADOS Y ANALISIS
La investigación comienza con análisis de microscopia electrónica de barrido, ver tabla 7,
observamos los componentes y cantidades compuesta en la escoria.
Tabla 2 Componentes de la Escoria.
MUESTRA MINERALES COPOSICION ABUNDANCIA
Aluminio Al +++
----------- Al13Fe4 +++
----------- AIN ++
MUESTRA Corindón Al2O3 +
Espinela MgAl2O4 +
----------- Mg-Al-O +
----------- ----------- +
Material amorfo Fe2Si *
Fuente: Ingeominas, Análisis de difracción de rayos-X polvo.
++++Abundante(>40%)+++Común(20-40%) ++Pobre(10-20%)+Escaso(3-10%) *trazas(<3%) ?:
Dudoso
ND: No determinado
6.1 Granulometría de la escoria y la arena.
Luego realiza la granulometría del POA y la arena ver tabla No 8, el POA tiene una distribución
granulométrica similar a la arena es decir, el tamiz No 8 tiene una diferencia del 4 % entre la
arena y el POA, de ahí en adelante ambas poseen aproximadamente el mismo comportamiento
hasta llegar al tamiz No 50, con una diferencia de 13%; después de este tamiz el porcentaje
tiende a disminuir.
Tabla 3. Granulometria POA y arena
PORCENTAJE
PASA % TAMIZ
POA ARENA
#4 100 100
# 8 99,4 95,1
# 16 92,8 84
PORCENTAJE
PASA % TAMIZ
POA ARENA
# 30 61,8 53,7
# 50 30,5 17,7
# 100 6,8 2,6
Fondo 0 1,2
La distribución granulométrica del POA con respecto a la arena genera comportamientos
similares, ver figura No 17, a medida que las partículas pasan por los diferentes números de
tamices en orden creciente, el porcentaje retenido tiende a disminuir más en el POA que la arena,
de esta manera se puede emplear el POA como material de relleno.
Figura 9. Comportamiento de la arena y el POA.
La granulometría de la escoria posee características distintas en cada tamiz, es decir, partículas
de óxidos, silicio, aluminio y otros componentes minoritarios, ver figura No 9.
Figura 10. A. Roca y/o bloque de escoria B. tamiz No 8 C. Tamiz No 10.
La escoria obtenida en la fundición se observa en la figura 10. A B C
A., el tamaño oscila entre 1 cm y 10 cm, en la superficie contiene una película rugosa de
fundentes, partículas de óxido, silicio y aluminio, estos elementos se encuentran en forma de
bloques. En la figura No 10. B. el tamaño de partículas es de 2.36 mm (tamiz N° 8), donde se
alcanzan a observar los mismos componentes en menor cantidad.
Figura No 11. A Tamiz No 20, B. Tamiz No 30, C. Tamiz No 50.
En el tamiz No 20 se obtienen laminas de aluminio en forma de hojuelas, ver figura No 11. A.,
estas láminas generan una disminución en la resistencia a comprensión, ya que son
concentradoras de esfuerzos que contribuyen a prolongar fisuras o grietas en el mortero. En el
tamiz No. 30, ver figura No 11. B. las partículas son de un tamaño de 0.595 mm, poseen una
textura lisa. En la Figura No 11. C. se observa un tamaño de partículas de 0.297 mm, son mas
uniforme. Para la construcción del prefabricado, se recomiendan partículas angulosas como la
arena, ya que estas tienden a tener una alta adherencia con los otros elementos.
A B C
Figura No 12. A Tamiz No 100, B y C. Tamiz 120 .
A B C
En el tamiz No. 100, los granos son más continuos y uniformes, de textura cada vez más
redonda, ver figura No 20. A, las partículas finas (polvo), al reaccionar con el agua fraguan
rápidamente, produciendo calentamiento excesivo, los ítem B y C de la figura 12, se explicarán
más adelante (tratamiento del POA con cal).
6.2 CONCENTRACIÓN OPTIMA DEL NAOH AL REACCIONAR CON EL AL.
Se ha estudiado el comportamiento de la granulometría del material y su respectiva microscopía,
por consiguiente se debe determinar el tamaño de partículas de aluminio metálico atrapado en la
escoria, para ello se prueba este con el NaOH, el aluminio se evalúa en forma de bloque y de
viruta, para determinar su comportamiento, ver Tabla No 7.
6.3 REACCIÓN DEL NAOH EN BLOQUE DE ALUMINIO Y VIRUTA
Para encontrar la concentración óptima, los componentes NaOH y agua son combinados y
agitados lentamente, se dejan reposar y luego se introduce el bloque de aluminio, este mismo
proceso se realiza con la viruta. Se observa que la concentración de NaOH donde se presenta
pérdida de masa de aluminio es con la viruta, ya que a mayor área superficial, mayor es la
reacción del NaOH con el aluminio, formando oxido de aluminio.
Tabla 4. Diferencia de peso
Forma
del Al
A
Al (g)
B
NaOH
(g)
C
H2O (g)
Peso (g)
NaOH + H2O
Peso (g)
inicial
A+B+C
Peso final
Sin
lavar
Lavado
y seco
Bloque 1.0 0.15 2.35 2.6 3.6 0.9 -
Viruta 1.0 0.2 2.0 2.3 3.3 1.4 0.6
Viruta 1.0 0.8 2.0 2.9 3.9 2.3 0.5
Viruta 1.0 1.0 2.0 3.1 4.1 3.2 0.7
Fuente. Laboratorio universidad del valle.
Las reacciones de NaOH con viruta de aluminio son violentas, ocurren de manera instantánea en
tiempos menores a un minuto, se presentan burbujas de color gris y se forman gases de color
blanco que representan la liberación de hidrogeno. Según los resultados en la tabla 7, la relación
optima para disminuir el Al es: 0.8 g NaOH con 1 g Al (1:0.8).
6.4 LAVADO DEL POA
Las reacciones formadas (Bloque con NaOH) presentan una pasta de característica polímero
fundido (Goma), que se adhiere y es difícil de eliminar si no se realiza un lavado rápido. Se debe
tener especial cuidado en este proceso, ya que de no realizarse el lavado en el momento justo, se
hace más compleja la fase de eliminar el aluminio de la escoria.
6.5 DETERMINACIÓN DE AL METÁLICO EN LA ESCORIA
La concentración optima del NaOH mencionada anteriormente en el numeral 5.2, se mezcla con
la escoria en los diferentes tamices, con el fin de determinar hasta qué tamaño de partículas se
obtiene aluminio metálico.
Tabla 5. Reacción del NaoH con la escoria
Tamiz
#
Escoria
(g)
H2O
(g)
NaoH
(g)
H2O y
NaoH (g)
Peso Al seco
(g)
Perdida
%
20 10 20 8 29 9 10
30 10 20 8 30 9,1 9
40 10 20 8 29 9,4 6
50 10 20 8 31 9,4 6
70 10 20 8 30 9,6 4
Fuente. Laboratorio de Materiales de la U. del Valle.
El Al metálico contenido en la escoria, se elimina por la presencia del NaOH, y por diferencia de
peso se determina el Al metálico contenido en los tamices, para estos procesos se requieren
parámetros constantes, tales como: el agua, el NaOH y la escoria, la variable es el aluminio, al
mezclar estos elementos se forman burbujas en forma lenta y en poca cantidad, esto nos indica
que a menor cantidad de partículas de aluminio, menor es la reacción con NaOH. Terminada esta
fase se lava la mezcla con agua y se agita, se deja reposar durante 5 minutos con el fin de que las
partículas desciendan, se retira la solución y se introduce a un horno para el secado total, a una
temperatura de 100°C durante 1 hora, luego por diferencia de peso se determina el porcentaje de
pérdida de aluminio en cada tamiz, ver tabla No 8. De esta manera se concluye que los tamices
por debajo del tamiz #70 (Partículas mayores a 0.21 mm) son aptos para utilizar en el proceso de
molienda y tamizado para recuperar más aluminio, los superiores al tamiz #70 se considera
material libre de aluminio, este es el elemento a utilizar como material de relleno llamado
Polvillo de Oxido de Aluminio (POA).
Figura 13. Esquema de NaOH con la escoria.
6.6 RESULTADOS DEL PH.
El POA al tener contacto con el agua (50g escoria con 100g de H2O), presenta una reacción lenta
en los primeros 30 minutos a temperaturas de 25°C, con el correr del tiempo se incrementa el
hedor a amoniaco y tiende a aumentar el pH proporcionalmente al tiempo, este es no lineal, ver
figura No 21; debido a que la sustancia formada dentro de la solución (NH3) aporta iones OH- al
medio, se considera “pH básica”, ver tabla No 9.
NaoH + H2o
Partículas de densidad
intermedia, de color gris.
Escoria
Tabla 6. Comportamiento del POA con agua.
Donde: +++ Fuerte, ++Leve, +Suave, -No olor
Figura 14. Comportamiento del POA con Agua.
Tiempos(m) pH Olores
15 8.56 +
30 8.68 +
45 8.74 ++
60 8.78 ++
Tiempos(m) pH Olores
75 8.82 ++
90 8.85 ++
8,56
8,68
8,74 8,78
8,82 8,85
8,5
8,55
8,6
8,65
8,7
8,75
8,8
8,85
8,9
0 20 40 60 80 100
pH
Tiempo (m)
POA con agua
6.7 COMPORTAMIENTO DEL POA CON CAL HIDRATADA.
En la búsqueda de neutralizar el POA, se hizo reaccionar este con los componentes de la cal, para
esto se requiere de una prueba piloto, que consiste en tener el espécimen y combinarlo con
diferentes porcentaje de cal: 100% cal hidratada, 50% cal hidratada y 25% cal hidratada; estas
proporciones fueron aplicadas en partículas gruesas y finas de la escoria , las partículas gruesas
tienen un tamaño de 1,19 mm a 0,125 mm y las finas son inferiores a 0,125mm; se observa que
las partículas gruesas tienen una facilidad de reaccionar con la cal, sin necesidad de agitación,
pero las finas no, ya que estas se encuentran más compactas e impiden penetrar la cal por los
espacios vacios, notamos también que el tiempo de reacción para las partículas finas es mucho
más largo que en las gruesas, ya que en ellas se requiere de agitación para su reacción. Las
partículas gruesas liberan más gases que las finas, con un fuerte hedor a amoniaco; lo mismo
ocurre con la formación de espuma jabonosa existe, mayor proporción en las gruesas que en las
finas.
El POA debe ser lavado con agua a presión, con el fin de eliminar la solución y reducir la cal; en
los ensayos realizados al 25%, 50% y 100% de cal, el mejor comportamiento en propiedades
mecánicas a compresión, fue con el 50% de cal, y hubo una disminución en el olor amoniaco
mayor que en los demás, de esta manera se opta en encontrar la mínima cantidad de cal para el
proceso de neutralización, ya que a elevadas cantidades de cal se disminuyen las resistencias
mecánicas y los costos de producción aumentan, para este proceso se deben realizar mediciones
con diferentes porcentajes de Cal:10%, 20% , 30% y 40%.
6.8 COMPORTAMIENTO DEL POA CON 10% CAL.
La combinación del POA con 10% de cal presenta un incremento en pH, ver tabla No 10, en
comparación con la tabla No 8 se observa que la presencia de olores con cal al 10% se manifiesta
fuertemente a los 75 minutos, mientras que con el agua es a los 45 minutos, la diferencia entre los
dos es que con agua el hedor es más leve.
Tabla 7. Comportamiento del POA con 10% cal
Donde: +++ Fuerte, ++Leve, +Suave, -No olor
La cal al interactuar con el POA intenta neutralizarla, ver figura No 23, en ella se muestra la zona
de equilibrio entre los 45 a 60 minutos; el crecimiento del pH es menor con agua ver figura No
22, que con el 10% de cal.
Figura No 15. Comportamiento del POA con 10% cal.
Tiempos(m) pH Olores
15 12.79 +
30 12.83 +
45 12.92 +
60 12.93 +
75 13.00 +++
90 13.02 +++
12,79
12,83
12,92 12,93
13 13,02
12,75
12,8
12,85
12,9
12,95
13
13,05
0 20 40 60 80 100
pH
Tiempo (m)
POA con 10% cal
6.9 COMPORTAMIENTO DEL POA CON 20% CAL.
Al adicionar 20% de cal a la mezcla anterior, se pretende encontrar la óptima neutralización y/o
eliminación del ion amonio presente en la solución. La tabla No 11 muestra que la basicidad del
espécimen tiende a aumentar, presentando hedor a amoniaco nauseabundo y penetrante. El olor
fuerte se debe al ataque de la cal apagada con el ion amonio presente en la solución buscando
neutralizarla.
Tabla 3. Comportamiento del POA con 20% cal
Donde: +++ Fuerte, ++Leve, +Suave, -No olor
El POA combinado con el 20% cal, presenta un crecimiento del pH en los primeros 50 minutos,
ver Figura No 24, desde allí tiene un comportamiento lineal con el pasar del tiempo, indicando
que los iones de la cal apagada se han agotado para seguir reaccionando con el ion amonio,
mientras que el hedor se conserva en todo el tiempo, el olor se presenta más en la solución que en
el POA.
Tiempos(m) pH Olores
15 12.75 +++
30 12.88 +++
45 12.93 +++
Tiempos(m) pH Olores
60 12.97 +++
75 12.97 +++
90 12.98 +++
Figura No 16. POA con 20% cal.
Al aumentar la cal en la solución se genera espuma de mayor espesor de 5mm a 1cm, esta capa
aísla la presencia de olores recientes en la solución, una vez agrietada la capa con agitación
aparece el hedor a amoniaco, por esto se debe retirar esta capa cuidadosamente.
6.10 COMPORTAMIENTO DEL POA CON 30% CAL.
El POA al aumentar el porcentaje de cal (30%) ver tabla 12, conserva el hedor a amoniaco pero
aumenta el pH, este último es debido a la presencia de mas iones de cal apagada que interactúan
con los iones de nitruros de aluminio (AlN).
Tabla 4. Comportamiento del POA con 30% cal
Tiempos(m) pH Olores
15 13.04 +++
30 13.12 +++
45 13.14 +++
60 13.18 +++
75 13.19 +++
90 13.2 +++
12,75
12,88
12,93 12,97 12,97 12,98
12,7
12,75
12,8
12,85
12,9
12,95
13
0 20 40 60 80 100
pH
Tiempo (m)
POA con 20% cal
Donde: +++ Fuerte, ++Leve, +Suave, -No olor
Al aumentar el % de cal disminuye el contenido de la solución, dando lugar a la formación de
una capa externa, además la solución se encuentra saturada de cal y demás componentes, por ello
se requiere del lavado para eliminarlos. Por otra parte el aumento del pH es menos pronunciado
con el 20% cal, ver figura No 24, que con el 30% cal ver figura No 25, indicando que los iones
de AlN se están agotando.
Figura 17. Comportamiento del POA con 30% cal
6.11 COMPORTAMIENTO DEL POA CON 40% CAL Y LAVADO.
El POA es tratado al 40% de cal, luego se procede al lavado y al secado, las partículas en su
estado seco no presentan grumos ni hedor amoniaco, ver tabla No 13; también se encuentra que al
mezclar estos elementos con los demás componentes como la arena, cemento y agua se obtienen
las mejores propiedades a compresión, en comparación con las demás mezclas. (Esto se discutirá
en propiedades mecánicas, sección 5.2).
13,04
13,12 13,14
13,18 13,19
13,2
13,0213,0413,0613,08
13,113,1213,1413,1613,18
13,213,22
0 20 40 60 80 100
pH
Tiempo (m)
Escoria con 30% cal
Tabla 5. Combinación del POA tratado al 40% cal y lavado.
Tiempos(m) pH Olores
15 10,93 -
30 11 -
45 11,06 -
60 11,11 -
75 11,18 -
90 11,24 -
Donde: +++ Fuerte, ++Leve, +Suave, -No olor
El POA tratado con 40% cal, al ser lavado se observa que posee un comportamiento lineal
creciente, ver Figura 26.
Figura 18. POA tratada al 40% cal y lavado.
10,93
11
11,06
11,11
11,18
11,24
10,9
10,95
11
11,05
11,1
11,15
11,2
11,25
11,3
0 20 40 60 80 100
pH
Tiempo (m)
POA tratada al 40% cal y lavado
6.12 LAVADO Y SECADO DEL POA AL SER TRATADO CON CAL.
El POA después de ser tratado con 10%, 20%, 30% y 40% de cal entra al proceso del lavado y al
secado donde se observa que al aumentar el porcentaje de cal, se disminuye el hedor amoniaco y
la adherencia entre la cal y el POA es cada vez más fuerte, esto percute en las propiedades
mecánicas, ya que a elevados contenidos de cal en la mezcla se reducen las propiedades a
compresión; es recomendable un lavado a presión del material, para eliminar los componentes de
cal y los grumos formados por el tratamiento, los grumos se presentan por la combinación de
agua en la mezcla; es decir, moja la mezcla (POA + cal) y la aglomera impidiendo la liberación
de energía de activación que posee el POA ver figura 26.
Figura No 17. Incrustaciones de cal en la escoria de partículas gruesas.
6.13 COMPORTAMIENTO DEL POA CON AGUA DESTILADA.
El agua destilada es otros de los componentes que se usa en el proceso de neutralización del
residuo solido peligroso, como también lo es el agua hervida y el agua con NaOH. El pH del agua
destilada combinada con el POA posee un comportamiento igual que con agua normal, ver figura
No 27; en esta prueba no se presenta hedor amoniaco, pero existe un crecimiento en el pH, ver
tabla 13, esto provoca reacciones del POA con otros componentes como sales fundentes.
Tabla 6. POA con agua destilada
Donde: +++ Fuerte, ++Leve, +Suave, -No olor
El POA al ser manipulado con el agua destilada tiene relativamente un pH igual que el proceso
con agua normal, pero con esta última se presenta hedor a amoniaco y con agua destilada no, ver
figura No 28; también se observa que no se presentan grumos, como sucede al ser combinado con
la cal.
Figura 19. POA con agua destilada
.
Tiempos(m) pH Olores
15 8.65 -
30 8.81 -
45 8.84 -
60 8.88 -
75 8.93 -
90 8.93 -
8,65
8,81 8,84
8,88
8,93 8,93
8,6
8,65
8,7
8,75
8,8
8,85
8,9
8,95
0 20 40 60 80 100
pH
Tiempo (m)
POA con agua destilada
1.1.1 COMPORTAMIENTO DEL POA CON AGUA NORMAL Y NAOH.
Al interactuar el agua con hidróxido de sodio (NaOH), se eliminan iones presentes en el agua y al
reaccionar con el POA se presenta una disminución de la basicidad, ver tabla 15. Los
componentes presentes en la solución buscan su estabilidad; es decir, se presenta un
decrecimiento en los primeros 75 minutos y luego aumenta, ver figura No 29. La presencia de
hedor a amoniaco es fuerte al principio y con el tiempo disminuye, pero al realizarle el proceso
del lavado vuelve a incrementarse dicho olor, esto se debe a que aún hay presencia de AlN en el
POA y este continúa reaccionando con el agua normal.
Tabla 7. Combinación del POA con Agua y NaoH
Donde: +++ Fuerte, ++Leve, +Suave, -No olor
Tiempos(m) pH Olores
15 12.90 +++
30 12.78 +++
45 12.61 +++
60 12.22 ++
75 12.09 ++
90 12.26 ++
Figura 20. Agua combinada con NaOH y mezclado con POA
6.14 COMBINACIÓN DEL POA CON AGUA HERVIDA.
El agua hervida combinado con el POA no presenta olor amoniaco, lo mismo que con agua
destilada ver tabla 16, se observa que el pH con el pasar del tiempo tiende a estabilizarse, después
de los 60 minutos el crecimiento es lineal ver Figura No 30, en el primer proceso de lavado se
comienza a presenciar el olor a amoniaco, ya que los componentes del agua comienzan a
interactuar con el POA en forma lenta, esto se manifiesta desde la primera lavada.
12,9
12,78
12,61
12,22
12,09
12,26
12
12,2
12,4
12,6
12,8
13
0 20 40 60 80 100
PH
Tiempo (m)
Agua combinada con NaOH y mezclado con POA
Tabla 8.Combinación del POA con Agua hervida
Donde: +++ Fuerte, ++Leve, +Suave, -No olor
Figura 21. Combinación del POA con Agua hervida.
Los experimentos analizados hasta el momento con agua destilada, agua hervida y agua con
NaoH no presentan olores desagradables, aunque todos presentan una tendencia de pH básica, en
el proceso del lavado es donde comienza a aparecer el olor amoniaco y se requiere de varias
lavadas para su eliminación total. El POA en estado seco, presenta grumos en proporciones bajas
Tiempos(minutos) pH Olores
15 8.95 +
30 9.08 +
45 9.08 ++
60 9.12 ++
75 9.11 ++
90 9.11 ++
8,95
9,08 9,08
9,12 9,11 9,11
8,9
8,95
9
9,05
9,1
9,15
0 20 40 60 80 100
Combinacion del POA con agua hervida
y al ser manipulado se desmorona fácilmente, en este sentido es bueno tener la materia prima con
esta característica, ya que facilita la fabricación del adoquín.
6.15 PROPIEDADES MECANICAS
El POA al ser tratado con los diferentes porcentajes de cal y tras un proceso de lavado y secado,
se procede al estudio de sus propiedades mecánicas, ver tabla 17; para esto se requiere adicionar
el POA en diferentes porcentajes con respecto a la cantidad de arena, en su preparación se
observa que al aumentar el % de adición, la resistencia a comprensión aumenta, al realizar los
ensayos a compresión presenta un leve hedor a amoniaco en el interior del cubo y desaparece al
cabo de 10 a 20 minutos, de los ensayos el mejor resultado a resistencia mecánica a compresión
fue el 40% de cal, con adición del 15% de POA.
Tabla 9. Propiedades mecánicas a 50 días.
% cal Nomenclatura % polvillo
Promedio
MPa
Relación (a/c)
Muestra 1 5 21,1 0,51
10 Muestra 2 10 23,9 0,51
Muestra 3 15 24,9 0,55
Muestra 1 5 26,4 0,51
20 Muestra 2 10 26,7 0,51
Muestra 3 15 18,0 0,55
Muestra 1 5 28,0 0,51
30 Muestra 2 10 28,0 0,51
Muestra 3 15 31,4 0,55
Muestra 1 5 31,6 0,51
40 Muestra 2 10 34,6 0,51
Muestra 3 15 34,7 0,55
Al aumentar el porcentaje de adición de POA, se incrementa la relación agua/cemento (a/c), ya
que se requiere mayor cantidad de liquido para mezclar el polvillo con los demás componentes,
esto con el fin de tener una buena consistencia en la mezcla. Desde el punto de vista de la
fabricación del adoquín se requieren relaciones a/c bajas (0,35), según la Norma técnica ICPC
(Instituto Colombiano de productores de Cemento).
A continuación se muestran las propiedades mecánicas de los elementos que se trataron con agua
destilada, agua hervida y agua con NaoH.
6.16 PROPIEDADES MECÁNICAS DEL POA TRATADO CON NAOH
El POA al ser tratado con NaOH y luego de ser lavado, se realiza la preparación del mortero con
mezclas de arena, cemento y POA como adición, ver tabla 17; notamos que al aumentar el
porcentaje de POA se disminuyen las resistencias mecánicas a compresión, al ser evaluadas a 7
días de curado, ver tabla 18. Con respecto al hedor a amoniaco, se podría decir que se reduce en
un 95% aproximadamente en la preparación de morteros, pero aparece en la cámara de curado
después de 24 horas.
Tabla 10. Propiedades mecánicas a 7 días de curado tratado con NaOH.
Nomenclatura
%
POA % NaoH
Promedio
Mpa
Muestra 1 0 2 16,7
Muestra 2 5 2 23,2
Muestra 3 10 2 13,8
Muestra 4 15 2 5,5
Muestra 5 20 2 7,2
Muestra 6 25 2 *
Muestra 7 30 2 *
La baja resistencia mecánica del POA, es debido a la presencia de iones del agua, presente en la
cámara de curado, que reaccionan con los componentes del POA, donde los iones viajan a través
de los poros del mortero presentando reacciones de tipo expansivo, de esta manera deteriora las
propiedades del mortero.
6.17 PROPIEDADES MECÁNICAS DEL POA TRATADO CON AGUA DESTILADA.
El POA al ser tratado con agua destilada y al realizar los mismos procedimientos de la sección
5.6, con las mismas proporciones, ver tabla 17, se observa que no presenta alteraciones de olor a
amoniaco; en la fabricación de morteros después de 5 a 10 minutos de su fabricación, se muestra
expansión en los cubos y en mayor proporción esta se muestra en la cámara de curado ver figura
31 y 32.
La elaboración de adoquines depende también de la relación agua/cemento (a/c), se recomienda
que sean bajas de 0.35 aproximadamente y notamos que las relaciones en la investigación son
altas al aumentar el porcentaje de adición, ver tabla 19, esto es debido a que el POA tiene mayor
capacidad de absorción de liquido que la arena.
Tabla 11. Tratado con agua destilada.
Nomenclatura POA % a/c
Muestra 1 5 0,49
Muestra 2 10 0,49
Muestra 3 15 0,49
Muestra 4 20 0,49
Muestra 5 25 0,51
Muestra 6 30 0,51
Durante el fraguado de los morteros se presenta olor leve a amoniaco, al desmoldar los morteros
no se presenta fisuración ni agrietamiento, pero con el pasar del tiempo (aproximadamente 48
horas) se presenta expansión excesiva y fisuración en la cámara de curado; esto es debido a los
mismos fenómenos mencionados anteriormente (iones del agua), el daño de los morteros ocurre
en el 100% de los cubos elaborados. Ver figura 32., a excepción de la mezcla patrón (sin POA).
Figura 22. Expación del motero despues de su fabriacción
.
Figura 23. Desmoronamiento de los morteros en cámara de curado.
En vista del deterioro de los morteros, en estas pruebas no se lograron realizar propiedades
mecánicas ni físicas a los especímenes tratados con agua destilada y agua hervida.
6.18 PROPIEDADES MECANICAS DEL POA COMO ADICION.
Al evaluar las propiedades mecánicas obtenidas hasta el momento, en las combinaciones con:
agua destilada, agua hervida, agua con NaOH y cal, el mejor comportamiento se obtuvo con cal
al 40%, desde allí se buscara optimizar el mejor resultado entre 15% y 30% de POA como
adición, procesado con molienda y sin molienda, ver tabla 20.
Tabla 12. Mezclas de POA como adición.
Nomenclatura % polvillo
clase de
polvillo
Patrón 0 No contiene
ESMA 15 sin moler
ESMB 30 sin moler
EMC 15 Molida
EMD 30 Molida
Fuente. Laboratorio de la universidad del valle.
La mezcla patrón contiene: cemento, arena y agua, ver tabla 21, esta es comparada con las demás
muestras, tales como: material molido con 15% y 30% de adición de POA y los mismos
porcentajes procesados con molienda.
Tabla 13. Diseños de mezclas
El proceso de molienda dura 40 minutos, luego se tamiza para ser tratada con cal al 40% y se
realiza el respectivo lavado y secado, finalmente este es el material que se utilizara como adición.
En el estudio de propiedades mecánicas de los morteros evaluados a 7, 14 y 28 días de curado,
ver figura 32, se observa que el que mejor comportamiento en resistencia a compresión es de
30% POA molido, con resistencia aproximada de 15 Mpa, con una densidad aparente (ρap) de 2,6,
con respecto a la mezcla patrón que es 23 Mpa y una ρap de 2,4, ambas evaluados a 28 días; posee
mayor capacidad de absorción el 30% de POA que la mezcla patrón y menor que la no molida,
las muestras evaluados en los 7 y 14 días de curado, muestran un crecimiento en resistencia
mecánica en orden decreciente, este es el espécimen patrón de 23 Mpa, 15% POA molido con
11Mp; 15% POA sin moler con 9 Mpa y 30% sin moler con 4,3 Mpa; La muestra de 30% POA
molido decae en resistencia de 10 Mpa a 9,66 Mpa, mientras que de 14 días a 28 días la muestra
de 30% POA molido crece de 9,65 a 14 Mpa y las demás decaen sin incluir la muestra patrón.
Figura 24. Resistencia mecánicas a comprensión.
Nomenclatura
%
Cal
Cemento(g
)
%
POA
Arena(g
)
POA
adiciona
r
Arena
adiciona
r Agua(g) a/c
Total
cubos
Mezcla Patrón 40 1567 0 4308,6 0 4308,6 549 0,35 20
15% Molienda 40 1567 15 4308,6 646,3 3662,3 626,8 0,4 20
30% Molienda 40 1567 30 4308,6 1292,6 3016,2 830,5 0,53 20
15% Sin
Molienda 40 1567 15 4308,6 646,3 3662,3 626,8 0,4 20
30% Sin
Molienda 40 1567 30 4308,6 1292,6 3016,2 830,5 0,53 20
Las propiedades mecánicas están relacionadas con propiedades físicas como la absorción y la
densidad aparente, ver tabla 22, se observa que el POA al ser procesado por molienda presenta
una menor área superficial que la no molida, de esta manera se verá reflejado en propiedades a
compresión ver figura 27; el POA procesado por molienda presenta menor absorción que la no
molida, debido a la disminución de poros en las partículas.
17,2
22,5 23,2
17,2
22,5 23,2
6,3
8,7
6,2
2,7 4,3 4,1
7,2
11,0
9,3 10,3
9,7
14,8
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
0 5 10 15 20 25 30
Res
iste
nci
a a
Co
mp
resi
on
(M
pa)
Tiempo (Días)
Resistencia Mpas
Resistencia (Mpas)
Patron
15% Sin moler
30% Sin moler
15% Molido
30% Molido
Tabla 14. Absorcion y Densidad Aparente.
Muestras
Absorción
(%)
Densidad
aparente
Muestra Patrón 9,72 2,47
15% polvillo Sin
Moler 15,49 2,61
30% polvillo Sin
Moler 24,28 2,61
15% polvillo Molida 13,21 2,62
30% polvillo Molida 14,16 2,60
El POA al ser procesado con cal se adhiere más fácilmente a las partículas gruesas que a las
finas; esto repercute en las propiedades mecánicas, ya que a elevados contenidos de cal en la
mezcla se reducen las propiedades a compresión. Es recomendable que se haga un buen lavado
de la mezcla, para la eliminación total de las partículas de cal, de no hacerlo, se verá reflejado en
las propiedades mecánicas, ver figura 25.
Figura No 18. Particulas de Cal en Mortero.
7 CONCLUSIONES
Los resultados de los ensayos a compresión de las probetas con un 30% de POA molido fue el
mejor, sin embargo, esta resistencia está por debajo de los resultados obtenidos con la probeta
patrón.
Las probetas con POA neutralizado con agua hervida y agua destilada presentaron grandes
expansiones y deformaciones en el periodo de curado, impidiendo que se pudieran probar a
compresión.
El polvillo generado a partir de la recuperación de escorias de aluminio presentó resultados
admisibles para ser usado como material de relleno en elementos cementicios.
Después de analizar y comparar la granulometría de la escoria y la arena, se puede decir que
presentan un comportamiento muy similar, lo que indica que puede ser manejada como relleno en
elementos cementicios.
El polvillo generado a partir de la recuperación de escorias de aluminio, al neutralizarlo se
elimina su reactividad con el agua, eliminando así su característica de peligrosidad.
Las muestras de la mezcla con 50% de cal, presento una eliminación de la generación del
amoniaco gaseoso (Realizada en la prueba piloto), comparándolas con las muestras con 100% y
25% de cal.
La mezcla que presentó mejores resultados en la prueba de resistencia mecánica y menor olor a
amoniaco fue la realizada con 40% de cal y 15% de POA.
La resistencia a compresión a los 28 días de la mezcla con 30% POA molido fue de 15Mpa,
siendo la más cercana a la mezcla patrón de 23 Mpa.
Las partículas procesadas por molienda presentan menor absorción que la no molienda, de esta
manera se vera reflejado en propiedades mecánicas a compresión mayor en molienda que la no
molienda.
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