tesis1
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE
QUERÉTARO
Voluntad, Conocimiento, y Servicio
EVALUACIÓN DE LA REACTIVIDAD PUZOLÁNICA
TESIS
Que como parte de los requisitos para obtener el grado de
Técnico Superior Universitario en Tecnología Ambiental
Presenta:
Raúl Guadalupe Dionicio Arredondo
Dra. Juana María Miranda Vidales M en C. Luz Elena Narváez Hernández
ASESOR DE LA INSTITUCIÓN ASESOR UTEQ
Universidad Tecnológica
Querétaro, Qro.
Agosto de 2010
México
RESUMEN
El presente trabajo tiene la finalidad de evaluar la reactividad puzolánica de rocas
de origen volcánico y determinar su posible aplicación como cementante; con lo
que se prevé a futuro la elaboración de bloques compactados de arcilla como un
material para el desarrollo sustentable en el Estado de Querétaro, Qro. México.
Con este propósito, se caracteriza el uso de tezontle, zeolita, perlita y piedra
pómez empleando métodos de difracción de rayos X (DRX) y microscopia
electrónica de barrido (MEB) para conocer las fases cristalinas o vítreas, además
de la composición química que posee cada una de ellas. Una vez obtenidos los
resultados de la caracterización se evaluó la capacidad de los materiales para ser
usados como cementante mediante el estudio de la reactividad puzolánica por el
método de conductividad eléctrica, estableciendo un comparativo de los resultados
obtenidos, entre sí, llegando a la conclusión de que la perlita y la piedra pómez de
acuerdo a su estructura, composición mineralógica y reactividad puzolánica son
los materiales que otorgan esta propiedad.
(Palabras Clave: Vivienda sustentable; Puzolana; Caracterización; Reactividad
Puzolánica.)
I
SUMMARY
The present study has the objective to evaluate the pozzolanic reactivity of
volcanic rocks and determine their possible application as a binder; with what is
expected in future the development of compacted clay blocks as a material for
sustainable development in the State of Querétaro, Qro. México. For this purpose,
we characterize the use of tezontle, zeolite, perlite and pumice using methods of X-
ray diffraction and scanning electron microscope (SEM) to know their glassy or
crystalline phases, besides the chemical composition that has each of them. Once
collected the results of the characterization, was evaluated the ability of materials
to be used as a binder through the study of pozzolanic reactivity by the method of
electrical conductivity, establishing a comparison of results with each other,
concluding that the perlite and pumice according to its structure, mineral
composition and pozzolanic reactivity are the materials that give this property.
(Keywords: sustainable housing, pozzolan, characterization, reactivity pozzolan.)
II
…Con mucho cariño a mis padres: David Dionisio y Alicia Arredondo,
que han estado en todo momento con migo…
…A mis maestros por la sabiduría que me transmitieron,
en mi desarrollo profesional…
…A todas aquellas persona, que dedicaron su tiempo, paciencia,
ayuda, y empeño en la realización de
este proyecto...
III
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer en primera instancia, a la M en C. Luz Elena Narváez
Hernández, Directora de la División de Innovación y Desarrollo Tecnológico en la
U.T.E.Q por aceptarme para realizar esta tesis técnica bajo su dirección. Su
paciencia, asesoría y confianza permitieron dar cumplimiento a las distintas fases
de la investigación. Por ello, es justo y un verdadero placer expresarle mis más
sinceros agradecimientos por ser una gran maestra y amiga en este espacio.
A la Dra. Lilia Narváez Hernández, Profesor-Investigador de medio tiempo/Técnico
Académico del Instituto de Metalurgia, en la U.A.S.L.P por su paciencia,
disponibilidad y generosidad al compartir su experiencia y amplio conocimiento
sobre el adecuado manejo del equipo de DRF y MEB. Debo agradecer también su
amabilidad en nuestra estancia en el Estado de San Luis Potosí, México.
A la Dra. Juana María Miranda Vidales, Profesor-Investigador del Instituto de
Metalurgia, en la U.A.S.L.P por su compromiso y dedicación durante la
elaboración de este proyecto.
Al Dr. Alejandro Manzano Ramírez, Investigador Titular en el CINVESTAV, unidad
Querétaro, por proveerme en varias ocasiones, de la información necesaria para
facilitarme la elaboración de la tesis.
A la I.M. Edith Zapata Campos, Metróloga de la División de Materiales Cerámicos
en el CENAM, por hacer de mis visitas en el instituto una agradable experiencia,
sin olvidar su ayuda y dedicación incondicional en más de una ocasión, ya que sin
ella algunos de los análisis no se hubiesen realizado.
A Teresita Tristán González, Técnica Administrativa del Instituto de Metalurgia, en
la U.A.S.L.P y al gran equipo que hay de tras de ella por permitirme tener acceso y
uso del material en el Laboratorio del Instituto de Metalurgia para llevar a cabo
IV
algunas de las actividades propuestas durante el desarrollo de esta tesis. Le
agradezco también por su paciencia y amabilidad que tuvo durante las preguntas
de mis inquietudes surgidas durante el desarrollo del trabajo, así mismo, por sus
rápidas y efectivas respuestas.
Al T.S.U Luis Gerardo Mendoza Araujo, encargado del laboratorio de tecnología
ambiental en la U.T.E.Q, por su gran paciencia, así mismo por proporcionarme el
material necesario para realizar algunas de las actividades de este trabajo.
A cada uno de mis maestros que colaboraron en mi desarrollo profesional durante
mi carrera, por brindarme parte de sus conocimientos, además de que sin su
ayuda no estaría donde me encuentro ahora.
Quiero expresar mi agradecimiento especial a la M. en C. Maura Olivia García
Pineda por ser más que una maestra, una gran amiga que desde que comencé
mis estudios técnicos ella me ah brindado su apoyo incondicional, de igual manera
por compartir sus experiencias en el ámbito personal, laboral y educativo.
A mi mejor amigo Juan Manuel Hernández Rivera y a mis compañeras por haber
compartido este logro con migo por su ayuda, por las aventuras en S.L.P y todas
las desveladas que pasamos durante la realización de nuestros proyectos
A mis amigos y compañeros que por más de un año compartieron sus vidas,
además de los triunfos en los que nos acompañamos.
En general a todos mis amigos sureñitos que durante mi desarrollo profesional en
la U.T.E.Q me tuvieron paciencia, ya que les debo unas cuantas salidas, que en
varias ocasiones no pude asistir por el estudio.
V
Por supuesto mi agradecimiento más profundo a mi familia por su apoyo,
comprensión y amor que me permitió llegar hasta donde estoy ahora. A mis
padres, Alicia Arredondo y David Dionisio por encomendarme a dios para que
saliera adelante y por guiarme sobre el buen camino. A mi hermano Juan Pablo
Dionicio que es un ejemplo a seguir por su tenacidad y superación, sin olvidar a mi
hermana Lidia Dionicio por sus consejos y opiniones que me han sido de gran
ayuda.
Quisiera agradecer sinceramente la colaboración del Instituto de Metalurgia de la
U.A.S.L.P, sin olvidar al CENAM, CINVESTAV y U.T.E.Q que favorecieron en gran
parte los objetivos de mi tesis, por los equipos y materiales que me
proporcionaron, sin su apoyo incondicional este trabajo no tendría un feliz término.
Para finalizar, me gustaría agradecer a la U.T.E.Q, por haber financiado gran parte
de la tesis mediante la concesión de capital para realizar la parte experimental,
además de la compra de materiales y equipos necesarios para este.
VI
ÍNDICE:
RESUMEN……………………………………………………………………..I
SUMMARY………………………………………………………………........II
DEDICATORIAS………………………………………………………………III
AGRADECIMIENTOS………………………………………………………..IV-VI
INDICE…………………………………………………………………………VII
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………..VIII
CAPÍTULO 1………………………………………………………..………….1
1.0. Estado del Arte………………………………………..………..2
1.1. Antecedentes……………………………………………………2
1.2. Las puzolanas………………………………………………......2
1.3. Uso de las puzolanas en la construcción………………......3
1.4. Reactividad de la puzolana……………………………………3
1.5. Evaluación de la actividad puzolánica………………………4
CAPÍTULO 2…………………………………………………………………..5
2.0. Definición del proyecto………………………………………..6
2.1. Objetivo…………………………………………………………..6
2.2. Objetivos Específicos………………………………………….6
2.3. Hipótesis…………………………………………………………6
2.4. Pregunta de investigación…………………………………….6
2.5. Justificación……………………………………………………..6-7
CAPÍTULO 3……………………………………………………………………8
3.0. Marco Teórico……………………………………………………9
3.1. Definición de la puzolana………………………………………9
3.2. Características de la puzolana natural………………………..9
CAPÍTULO 4……………………………………………………………………10
4.0. Desarrollo del proyecto………………………………………...11
4.1. Metodología………………………………………………………11
CAPÍTULO 5…………………………………………………………………….33
5.0. Conclusiones y Recomendaciones…………………………..35
VII
INTRODUCCIÓN
Conforme han pasado los años la implementación de tecnología para satisfacer
las necesidades del hombre ha provocado que el mundo enferme de una manera
muy representativa.
Una de las tecnologías es la construcción de viviendas la cual tiene un impacto
mayor sobre la naturaleza ya que implica la remoción de plantas y destrucción de
habitas que conllevan a la extinción de las especies endémicas del lugar. Además
de la sobreexplotación de la materia prima empleada.
Por estas razones en el presente trabajo se quiere estudiar la implementación de
estrategias importantes para la sustentabilidad. Como es la elaboración de ladrillos
de adobe utilizando roca volcánica como cementante. Por lo que aquí se pretende
la caracterización de muestras de roca volcánica por medio de los métodos de
Difracción de rayos X y Microscopia electrónica de barrido.
Seguidamente se pretende evaluar la reactividad puzolánica que es la que definirá
si las rocas volcánicas son adecuadas para este uso.
VIII
CAPÍTULO 1
ESTADO DEL ARTE
1
CAPÍTULO 1
1.0 Estado del arte
1.1 Antecedentes
La sostenibilidad requiere recursos para su conservación, el medio ambiente que
debe ser protegido, y un medio ambiente saludable para mantenerse. La Comisión
Mundial sobre el medio ambiente y el desarrollo sugirió la siguiente definición de
desarrollo sustentable:
El desarrollo sustentable es el desarrollo que responda a las necesidades del
presente, sin abandonar la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer
sus propias necesidades.
A principios de 1990, la demanda para proteger los recursos naturales aumentó
con el fin de proporcionar condiciones de vida saludables para los seres humanos.
Como se discutió en RIO 1992 Cumbre de la tierra, las viviendas modernas deben
proporcionar condiciones de vida saludables en términos de calor, humedad y aire
limpio.
Los materiales de construcción y las fuentes de energía en el sector de la vivienda
tienen un efecto significativo sobre el medio ambiente y el ecosistema de las
siguientes maneras, el uso de suelo para vivienda, el uso de los recursos
naturales para el material de construcción, el consumo de la energía para producir
y transportar el material de construcción, uso de energía durante el período de
construcción, la energía necesaria para la calefacción y refrigeración en el ciclo de
vida del edificio [1].
1.2 Las puzolanas
La palabra puzolana se acuño en Italia y se utilizo para describir las cenizas
volcánicas de Pozzouli, una villa cerca de Nápoles. Las cenizas provenían del
Monte Vesubio (Valdez Tamez et al., 2004).
Las puzolanas pueden tener un origen natural, las cuales se derivan de minerales
volcánicos, excepto las tierras diatomáceas, las cuales son formadas por silicatos
amorfos hidratados, derivados de los esqueletos de microorganismos acuáticos.
Los materiales de origen volcánico están compuestos principalmente de
aluminosilicatos que durante las erupciones volcánicas sufren un rápido
enfriamiento, dando lugar a fases vidriosas con estructuras amorfas pobremente
cristalinas (Moreno et al., 2004). La reactividad de estos materiales se atribuye a la
combinación de las estructuras pobremente cristalinas o vítreas que pueden
poseer un área superficial alta (Marroquin, J. B. 2008).
2
Las puzolanas también pueden tener un origen artificial; definidas de esta manera
porque son materiales que deben su condición a un tratamiento térmico adecuado,
entre estas, las dos más utilizadas son la ceniza volante (fly ash) y el humo de
sílice (silica fume) (Salazar, A 2002).
1.3 Uso de las puzolanas en la construcción
El uso de materiales de construcción es tan antiguo como la propia humanidad;
históricamente el primer aglutinante o cementante hidráulico fue una combinación
de puzolana y cal (Moreno et al., 2004); que fue desarrollada en Roma utilizado en
trabajos de albañilería usuales y en la construcción de algunas de las estructuras
más importantes como el Panteón de Roma, el Anfiteatro Flavio, la Cloaca
Máxima, e incluso en el Palacio de los Césares que aún permanecen después de
2000 años.
En la actualidad se ha retomado la técnica tradicional del abobe y se han hecho
estudios para mejorar sus características originales, esto ha producido lo que
conocemos como ladrillo de adobe tecnificado (Roux y Olivares 2002).
Las tradicionales técnicas del adobe son ampliamente empleadas en muchos
países, fundamentalmente en los países en vías de desarrollo, constituyendo un
material de construcción para más de 1.500 millones de personas en la actualidad.
Desde los Estados Unidos hasta la Patagonia, desde el Sahara hasta el Cono Sur
Africano, en Asia y en Oriente, y hasta en Europa, cerca del 50% de los seres
humanos viven en casas de tierra (Rodríguez, M. A. y Saroza, B. 2006).
1.4 Reactividad de la puzolana
La actividad puzolánica se refiere a la cantidad máxima de hidróxido de calcio con
la que la puzolana puede combinarse y la velocidad con la cual ocurre esta
reacción.
La actividad puzolánica depende de la naturaleza y proporción de las fases
activas presentes en la puzolana (composición mineralógica), de la relación de la
mezcla, de la superficie específica de la puzolana y de la temperatura de la
reacción. Los productos de reacción generalmente son del mismo tipo que los
productos de hidratación del Cemento Portland: Silicatos Cálcicos Hidratados
(CSH), Aluminatos Cálcicos Hidratados (CAH) y Sílico - Aluminatos Cálcicos
Hidratados (CSAH). (Salazar, 2002)
Puzolana + Cal + Agua Silicatos y Aluminatos de Calcio Hidratados
3
1.5 Evaluación de la actividad puzolánica
La evaluación de la actividad puzolánica es esencial para evaluar al material como
una puzolana. De acuerdo con la ASTM C 618, las puzolanas naturales que vayan
a utilizarse como aditivo mineral en el cemento Portland deben cumplir con ciertos
requerimientos físicos y químicos. Por ejemplo, los aditivos minerales clase N
(puzolanas naturales) deben cumplir con un mínimo de 70 % en la suma de SiO2 +
Al2O3 + Fe2O3; en el caso de las puzolanas naturales, contienen entre 55,8 y 88,5
%. Este requerimiento químico es arbitrario para el propósito de tener una relación
directa con las propiedades del material. La importancia del contenido (SiO2 +
Al2O3 + Fe2O3) es subrayado por el hecho de que las fases vítreas activas
generalmente son más ricas en contenido de sílice y alúmina.
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CAPÍTULO 2
DEFINICIÓN DEL PROYECTO
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CAPÍTULO 2
2.0 Definición del proyecto
2.1 Objetivo:
El presente trabajo tiene como objetivo general la valoración de la
reactividad puzolánica de rocas volcánicas como el tezontle, la perlita y la piedra
pómez para determinar su posible aplicación como cementante en la producción
de bloques compactados de arcilla.
2.2 Objetivos Específicos:
1. Valoración de la reactividad puzolánica de las rocas volcánicas regionales
del Estado de Querétaro.
2. Verificar si su composición química, su mineralogía y morfología es la
adecuada para formar compuestos cementantes en bloques compactados
de arcilla.
3. Apoyar a elevar el grado de conocimiento en relación a estudios ya
existentes de rocas de origen volcánico para la elaboración de materiales
para la construcción.
2.3 Hipótesis: Si se utilizan las rocas volcánicas como estabilizante en bloques
compactados de arcilla se mejoraran las características químicas de estos,
indicando que las puzolanas son adecuadas para su uso como material
cementante.
2.4 Preguntas de investigación
¿Serán las propiedades químicas de la puzolana, ideales para influir en los
factores mencionados?
2.5 Justificación de la investigación
La problemática de la vivienda en el Estado de Querétaro, se ha incrementado en
los últimos años, principalmente a factores como el incremento poblacional, la falta
de vinculación entre el producto terminado, el usuario y su medio ambiente, lo que
ha llevado al hombre a retomar técnicas tradicionales de construcción (De acuerdo
al CONAPO el estimado de población del municipio es de 804 663 habitantes.
Datos que se confirmarán con el Censo de Población y Vivienda 2010 del INEGI).
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De acuerdo con Roux y Olivares (2002), en la actualidad se ha retomado la
técnica tradicional del abobe y se han hecho estudios para mejorar sus
características originales, esto ha producido lo que conocemos como ladrillo de
adobe tecnificado.
La alternativa de utilizar materiales regionales tradicionales, como lo es el bloque
compactado de arcilla, presenta la posibilidad de reducir el costo de la vivienda, ya
que el material con el que se fabrica se encuentra en abundancia en la misma
zona territorial, lo que reducirá el consumo de la energía para producir el material
de construcción, además de evitar el uso de transporte de dichos materiales.
7
CAPÍTULO 3
MARCO TEÓRICO
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CAPÍTULO 3
3.0 Marco Teórico
3.1 DEFINICIÓN DE PUZOLANA
Según la ASTM (American Society for Testing and Materials) las puzolanas son
materiales sílicos o sílico-aluminosos que por sí solos poseen poco o nulo valor
cementante, pero finalmente divididos, y en presencia de humedad, reaccionan
químicamente con la portlandita (hidróxido de calcio {Ca (OH)2}) a temperatura
ordinaria para formar compuestos con propiedades cementantes.
3.2 CARACTERÍSTICAS DE LA PUZOLANA NATURAL
Las puzolanas presentan diferentes características dependiendo del lugar donde
provienen, una de las características de su poder cementante es el grado de
vitricidad con que cuentan, poseyendo mejores características cementantes las
puzolanas amorfas (vítreas).
Las propiedades de las puzolanas dependen de la composición química y la
estructura interna. La ASTM C 168 establece que el contenido y requerimiento
químico de las puzolanas sea en sus componentes de la siguiente manera:
Componente Formula Requerimiento por ASTM C618 Clase N
Dióxido de Silicio SiO2 70.0 % mínimo Óxido de Aluminio Al2O3
Óxido de Fierro Fe2O3
Trióxido Sulfúrico SO3 4.0 % máximo
Pérdida de Ignición - 10.0 % máximo
Óxido de Calcio CaO -
Óxido de Magnesio MgO -
Óxido de Sodio Na2O -
Óxido de Potasio K2O -
Óxido de Titanio TiO2 -
Óxido de Manganeso MnO -
Dióxido de Zirconio ZrO2 -
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CAPÍTULO 4
DESARROLLO DEL PROYECTO
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CAPÍTULO 4
4.0 Desarrollo del proyecto
4.1 Metodología
Varios métodos han sido aplicados para evaluar las propiedades de una puzolana
y la actividad puzolánica, los cuales contemplan puntos de vistas físicos, químicos,
y mecánicos, los cuales establecen evaluaciones cualitativas y cuantitativas.
En una puzolana es indispensable evaluar sus características físicas y su efecto
en las propiedades finales del material con que se emplea.
La evaluación física de las propiedades en una puzolana tiene la finalidad de
conocer la estructura general de las muestras. Estos métodos se basan en los
arreglos de átomos y de iones que desempeñan un papel importante en la
determinación de microestructuras y las propiedades de un material.
La estructura de un material cristalino se puede analizar usando difracción de
rayos X (DRX). Max von Laue (1879-1960) obtuvo el Premio Nobel en 1912 por su
descubrimiento relacionado con la difracción de rayos X en un cristal.
Otro método utilizado es el microscopio electrónico de barrido que proporciona
imágenes y datos físico-químicos de la superficie de cuerpos generalmente
opacos a los electrones.
Los métodos de evaluación puzolánica, se basan en la determinación de la
velocidad de consumo de Ca(OH)2 como medida del avance de la reacción, y
pueden ser clasificados como métodos indirectos y directos. Los métodos
indirectos, basados en el uso de una técnica conductimétrica, son aquellos que
permiten monitorizar el consumo de Ca(OH)2 sobre la base de la medición de la
conductividad eléctrica de la solución puzolana-Ca(OH)2 a medida que transcurre
la reacción (Costa J. L. 2008).
Por otra parte los métodos directos son aquellos que se basan en la medida de la
cantidad de Ca(OH)2 que ha reaccionado con el material puzolánico que se evalúa
en un momento dado; algunos de estos métodos son aquellos descritos en la
norma ASTM C 114-00 como el método de prueba alternativo A (Franke
Modificado) y el método alternativo de prueba B, así como, el descrito en la norma
española UNE-EN 196-5 de título “Método de ensayo de cementos”, parte 5:
“Ensayo de puzolanicidad para cementos puzolánicos”.
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De las diferentes metodologías existentes para evaluar las propiedades y la
actividad puzolánica, en el presente trabajo se han escogido los métodos de
difracción de rayos X (DRX), microscopia electrónica de barrido (MEB) y el método
de medición de la conductividad eléctrica, para evaluar las propiedades
puzolánicas de las diferentes muestras de roca volcánica, debido a su sencillez y
precisión.
Fundamento del método para la caracterización de las puzolanas naturales
Por difracción de rayos X (DRX)
Cuando un haz de de rayos X de una longitud de onda especifica del mismo orden
de magnitud de las distancias interatómicas del material llega a éste, los rayos X
se dispersan en todas direcciones. La mayor parte de la radiación dispersada por
un átomo anula la radiación dispersada en otros átomos. Sin embargo, los rayos X
que llegan a ciertos planos cristalográficos formando ángulos específicos con ellos
se refuerzan, en vez de aniquilarse. A este fenómeno se le llama difracción. Los
rayos X se difractan, o el haz se refuerza, cuando las condiciones satisfacen la ley
de Bragg.
La ley de Bragg expresa que cuando un haz de rayos X choca contra la superficie
de un cristal formando un ángulo θ, una porción del haz es dispersada por la capa
de átomos de la superficie. La porción no dispersada del haz de luz penetra la
segunda capa de átomos donde, de nuevo, una fracción es dispersada y la que
queda pasa a la tercera capa. El efecto acumulativo de esta dispersión producida
por los centros regularmente espaciados del cristal es la difracción del haz. Los
requisitos para la difracción de rayos X son:
1. Que el espacio entre las capas de átomos sea aproximadamente el mismo
que la longitud de onda de la radiación
2. Que los centros de dispersión estén distribuidos en el espacio de ua
manera muy regular.
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Determinación de la composición mineralógica y fases por el método
difracción de rayos X
Los análisis de difracción de rayos X (DRX) se realizaron en los laboratorios del
Instituto de Metalurgia del Estado de San Luis Potosí, con un total de 4 muestras,
utilizando un equipo de difracción Rigaku modelo DMAX 2200 (Ver figura 1).
Fig. 1, Equipo de DRX Rigaku modelo DMAX 2200
Las muestras utilizadas fueron molidas y cribadas con una malla 230 a una finura
de 62 µ, las cuales fueron homogenizadas para obtener una muestra
representativa (Ver figuras 2 y 3).
Fig. 2 Molienda de las muestras Fig. 3 Cribado con malla N° 320
13
A continuación, se colocaron en un portamuestras que consiste en una lámina
metálica con una abertura cuadrada de aproximadamente un milímetro de grosor
que en la parte inferior posee una placa de vidrio para contener la muestra en
polvo comprimida (Ver figura 4).
Fig. 4 Interior del equipo DRX donde se aprecia la muestra
El análisis de las diferentes muestras se realizo en un ángulo 2θ que tiene un
intervalo de 2 a 90°, con una velocidad de barrido de 2 grados/min, 30 mA y 36
KVA, radiación CuKα (λ=0.15405).
14
Resultados
En las figuras 5, 6, 7 y 8 se observan los espectros del análisis de difracción de
rayos X de las cuatro puzolanas.
Fig. 5 difracción de la muestra 1 Fig.6 difracción de la muestra 2
Fig. 7 difracción de la muestra 3 Fig.8 difracción de la muestra 4
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Análisis y discusión de los resultados
Los espectros del tezontle y la zeolita presentaron diversos picos, por lo que son
reconocidos como materiales cristalinos, en ambos casos se debe a la presencia
de vidrios de aluminosilicato, el primero presenta fases de sodio, potasio, oxido de
hierro (Fe2O3) y calcita (CaCO3), entre los 20 y 40° en el ángulo 2θ.
Posteriormente la segunda muestra presenta fases de clinotilolita
((Na,K,Ca)6(Si,Al)18O36·11H2O) y heulandita (Ca(Al2Si7)6H2O) entre los 5 y 35° en
el ángulo 2θ.
El espectro de la perlita muestra un pico grado amorfo, esto quiere decir que no
tiene una estructura cristalina definida, lo que significa que la perlita es vítrea;
respectivamente el espectro de la piedra pómez presenta una estructura similar a
la de la perlita pero con un ligero pico de sílice.
Las puzolanas del estudio son de origen volcánico, que de acuerdo con el banco
de datos del equipo de difracción, se justificaron los espectros del tezontle y la
zeolita que indican esencialmente presencia de cuarzo. Además de que el
tezontle muestra una fase de calcita.
De acuerdo al estudio de DRX, los materiales estudiados que presentan una fase
vítrea pueden ser utilizados como materia prima puzolánica en la elaboración de
morteros, ladrillos compactados, cementos puzolánicos, entre otros, sin embargo
la norma ASTM 618 establece además que deben de tener un contenido alto en
sus componentes químicos como el sílice, aluminio y hierro por lo que se procede
hacer el estudio de microscopia electrónica de barrido para caracterizar mejor los
materiales.
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Por microscopia electrónica de barrido (MEB-EDX)
El microscopio electrónico de barrido (MEB) es un instrumento que permite la
observación y caracterización de los materiales orgánicos e inorgánicos,
entregando información morfológica del material analizado. A partir de él se
producen distintos tipos de señal que se general desde la muestra y se utilizan
para examinar muchas de sus características
El microscopio electrónico de barrido puede estar equipado con diversos
detectores, entre los que se pueden mencionar: SEI (Sucundary Electron Image)
para obtener imágenes de alta resolución, y un detector de energía dispersiva
EDS (energy Dispersive Spectrometer) que permite colocar los Rayos X (EDX)
generados por la muestra y realizar diversos análisis e imágenes de distribución
de elementos químicos que se encuentran presentes superficie.
Determinación de la composición química y superficial por el método de
microscopia electrónica de barrido
Los análisis de microscopia electrónica de barrido (MEB) se realizaron en los
laboratorios del Instituto de Metalurgia del Estado de San Luis Potosí, con un total
de 4 muestras, utilizando un equipo Phillips de modelo XL 30 (Ver figura 9).
Fig. 9 Equipo MEB Phillips modelo XL 30 equipado con un detector EDX,
conectado a la computadora donde se transmite la información del equipo.
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Las muestras a emplear en el análisis también fueron molidas y cribadas a malla
230 a una finura de 62 µ. Se colocaron uniformemente sobre el portamuestras que
tenía una cinta adhesiva que contiene una película de grafito.
Posteriormente se coloca en una cámara de vacio donde se aplica un sistema de
alto vacio, seguidamente se enciende el equipo y la muestra comienza a hacer
bombardeada con un haz de electrones.
El equipo interpreta estas señales y la imagen comienza a hacer proyectada en la
pantalla de la computadora, la cual tiene un programa específico del equipo.
Resultados
En las figuras 10, 11, 12 y 13 se observa la morfología de las diferentes muestras.
Fig. 10 fotografía de la muestra 1 Fig. 11 fotografía de la muestra 2
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Fig. 12 fotografía de la muestra 3 Fig. 13 fotografía de la muestra
Tabla 1 Comparación de la composición química y porcentaje de las muestras
analizadas
Análisis y discusión de los resultados
Las muestras caracterizadas a partir del análisis de morfología y composición
química, muestran que de las cuatro muestras de rocas volcánicas la perlita es la
más apta para usar como cementante teniendo un 61.42 %, seguida por la piedra
pómez con un 59.29%, la zeolita con 57.36% y el tezontle con 55.18%, en la suma
de los elementos esenciales.
Recordando que este requerimiento químico por la norma ASTM C618 es
arbitrario para el propósito de tener una relación directa con las propiedades del
material. La importancia del contenido de la suma de SiO2, Al2O3, y Fe2O3 es
subrayado por el hecho de que las fases vítreas activas generalmente son más
ricas en contenido de sílice y alúmina.
Componente Formula Requerimiento por ASTM C618
Tezontle zeolita Perlita Piedra pómez
Dióxido de Silicio SiO2 70.0 % mínimo
55.18
57.36%
61.42%
59.29% Óxido de Aluminio Al2O3
Óxido de Fierro Fe2O3
Trióxido Sulfúrico SO3 4.0 % máximo 0% 0% 0% 0%
Pérdida de Ignición - 10.0 % máximo 0% 0% 0% 0%
Óxido de Calcio CaO - 0% 0% 0% 0%
Óxido de Magnesio MgO - 3.33% 1.09% 0% 0%
Óxido de Sodio Na2O - 2.66% 0% 1.61% 1.61%
Óxido de Potasio K2O - 1.45% 4.51% 7.35% 7.79%
Óxido de Titanio TiO2 - 1.47% 0% 0% 0%
Óxido de Manganeso MnO - 0% 0% 0% 0%
Dióxido de Zirconio ZrO2 - 0% 0% 0% 0%
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Fundamento del método de conductividad eléctrica
El método consiste en conocer la variación en el tiempo de la concentración de
CA(OH)2 en solución cal-puzolana, mediante la medición de la conductividad
eléctrica, la cual es directamente proporcional a los iones Ca2+ en solución,
conociendo previamente la correspondencia entre la conductividad y la
concentración.
La relación entre la Ca2+ consumido (concentración de Ca2+ a un tiempo Ct) y la
concentración inicial, se considera un índice de la reactividad o puzolanicidad;
mientras mayor sea el consumo de Ca2+ mayor será la actividad puzolánica del
material (Khandilkar, S. y Curstji, M. 2003)[6].
Determinación de la reactividad puzolánica por el método de conductividad
eléctrica
En el ensayo para evaluar la reactividad puzolánica por el método de la
conductividad eléctrica, de acuerdo a los resultados obtenidos en la
caracterización se emplearon tres de las cuatro muestras. Los análisis fueron
realizados en el Laboratorio del Instituto de Metalurgia en el Estado de San Luis
Potosí.
Las muestras utilizadas fueron molidas y cribadas de igual manera que los
métodos anteriores por malla 230 a una finura de 62 µ.
Se preparó una solución patrón de Ca(OH)2, de una concentración de 10 g/l en
agua desionizada, la cual se mantuvo en agitación durante 2 horas y se dejo
reposar por 24 hrs.
Seguidamente esta solución fue valorada con HCl, que tenía una concentración de
3 ml/l en agua desionizada, para conocer la concentración exacta expresada en g/l
y en mol/l.
Para la valoración de la solución patrón se tomaron 10 ml de esta en un matraz
erlenmeyer de 250 ml y se le agregaron 2 gotas de fenolftaleína.
20
El HCl también fue valorado disolviendo 0.2 g de carbonato de sodio anhidro en un
matraz erlenmeyer de 250 ml a un volumen de 50 ml de agua desionizada a la
cual se le agregaron 2 gotas de fenolftaleína.
Una vez conocida la concentración de la solución patrón, se elaboró la curva de
calibración, para ello se prepararon 6 alícuotas en 100 ml de agua desionizada al
10, 25, 40, 50, 75 y 90% y un blanco para determinar la conductividad de los
posibles iones del agua.
La elaboración del grafico se llevo a cabo por correlación de la conductividad (eje
de las abscisas) con la concentración (eje de las ordenadas), de tal manera que se
obtuvo un gráfico que permitió calcular la concentración en Ca2+ a partir de la
medición de la conductividad (ver figura 14).
Una vez obtenida la curva de calibración se comenzó la monitorización de la
reacción puzolánica, lo cual se realizo mediante la medición de la conductividad en
un tiempo de 6:30 hrs con intervalos de 30 min en cada medición.
Posteriormente, se preparó una alícuota al 60% de la solución patrón, en un
matraz aforado de 100 ml; se tomaron 30 ml de esta solución y se añadieron en un
vaso de precipitado de 100 ml a los cuales se les agregaron 3 gramos de la
muestra de puzolana natural; A continuación las muestras se colocaron a baño
maría a 40°C ± 5, manteniéndose todo el tiempo en este régimen al momento de
tomar la medición de la conductividad.
21
Resultados
En las figuras 14, 15, 16 y 17 se muestran las curvas patrón mostrando la
tendencia lineal entre la conductividad y la concentración Ct de la solución patrón
a temperatura ambiente y de las muestras a 40°C.
Fig. 14 curva de la solución patrón Fig. 15 curva de la muestra 1
Fig. 16 Curva de la muestra 3 Fig. 17 Curva de la muestra 4
22
50 100 150 200 250 300 350
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
0.045
0.050
Co
nce
ntr
ació
n C
t
Conductividad m/V
Curva de Calibración de la solución patrón de Ca(OH)2
0 50 100 150 200
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
Co
nce
ntr
ació
n C
t
Conductividad m/V
Curva de Calibracion de la perlita
160 180 200 220 240 260 280
0.024
0.026
0.028
0.030
0.032
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
0.044
Co
nce
ntr
ació
n C
t
Conductividad m/V
Curva de Calibración de la piedra pomez
200 220 240 260 280
0.030
0.032
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
Co
nce
ntr
ació
n C
tConductividad m/V
Curva de Calibración del tezontle
La ecuación obtenida, y que caracteriza esta correlación a la temperatura de 40°C,
es:
y= 0,0473x – 0,0111
Donde:
x: representa la conductividad medida en la disolución patrón
y: se refiere a la concentración de Ca(OH)2
El coeficiente de correlación es:
R2= 0,9949
Mediante la medición de la conductividad eléctrica a los diferentes tiempos, y
evaluando la ecuación anterior, se ha obtenido la concentración de iones Ca(OH)2
en los diferentes tiempos medidos.
En la tabla 2 se aprecia la similitud en los rangos de variación de los resultados
derivados de las 3 muestras sometidas a 40°C de puzolana natural:
Tiempo (hr)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5
Muestra
Tezontle 0.042 0.042 0.042 0.042 0.041 0.034 0.034 0.034 0.034 0.032 0.032 0.032 0.032 0.03
Piedra pómez
0.042 0.042 0.042 0.041 0.04 0.039 0.032 0.031 0.031 0.03 0.03 0.029 0.028 0.025
Perlita 0.029 0.027 0.023 0.021 0.019 0.018 0.016 0.013 0.01 0.0074 0.0042 0.0014 0.0005 0.0002
23
Tabla 3 Variación en la concentración en Ca(OH)2, en mol/l, para una solución de
tezontle-Ca(OH)2, sometida a 40°C.
Figura 18 representa la variación de la concentración mol/l, con relación al tiempo
de acuerdo a los valores medidos en las tablas 2 y 3, para el tezontle.
Tiempo (hr)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5
Muestra
Tezontle 0.042 0.042 0.042 0.042 0.041 0.034 0.034 0.034 0.034 0.032 0.032 0.032 0.032 0.03
24
-1 0 1 2 3 4 5 6 7
0.030
0.032
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
Co
nce
ntr
ació
n m
ol/l
Tiempo
Reactividad puzolánica del tezontle
Tabla 4 Variación en la concentración de Ca(OH)2, en mol/l para una solución de
piedra pómez-Ca(OH)2, sometida a 40°C.
Figura 19 representa la variación de la concentración mol/l, con relación al tiempo
de acuerdo a los valores medidos en las tablas 2 y 4, para la piedra pómez.
Tiempo (hr)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5
Muestra
Piedra pómez
0.042 0.042 0.042 0.041 0.04 0.039 0.032 0.031 0.031 0.03 0.03 0.029 0.028 0.025
25
-1 0 1 2 3 4 5 6 7
0.024
0.026
0.028
0.030
0.032
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
0.044
Co
nce
ntr
ació
mo
l/l
Tiempo
Reactividad puzolánica de la piedra pómez
Tabla 5 Variación en la concentración de Ca(OH)2, en mol/l para una solución de
perlita-Ca(OH)2, sometida a 40°C.
Figura 20 representa la variación de la concentración mol/l, con relación al tiempo
de acuerdo a los valores medidos en las tablas 2 y 5, para la perlita.
Tiempo (hr)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5
Muestra
Perlita 0.029 0.027 0.023 0.021 0.019 0.018 0.016 0.013 0.01 0.0074 0.0042 0.0014 0.0005 0.0002
26
-1 0 1 2 3 4 5 6 7
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
Co
nce
ntr
ació
n m
ol/l
Tiempo
Reactividad puzolánica de la perlita
Figura 21 representa la reactividad de las diferentes muestras de puzolana natural
que se sometieron a 40°C en mol/l, con relación al tiempo de acuerdo a los valores
medidos en las tabla 2.
27
-1 0 1 2 3 4 5 6 7
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
0.045
Perlita
Piedra pómez
Tezontle
Co
nce
ntr
ació
n m
ol/l
Tiempo hr
Reactividad de las diferentes muestras a 40°C
En las figuras 22, 23, 24 y 25 se muestran las curvas patrón mostrando la
tendencia lineal entre la conductividad y la concentración Ct de la solución patrón
y de las muestras a temperatura ambiente.
Fig. 22 curva de la solución patrón Fig. 23 curva de la muestra 1
Fig. 24 Curva de la muestra 3 Fig. 25 Curva de la muestra 4
28
50 100 150 200 250 300 350
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
0.045
0.050
Co
nce
ntr
ació
n C
t
Conductividad m/V
Curva de Calibración de la solución patrón de Ca(OH)2
220 240 260 280 300 320
0.032
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
0.044
0.046
0.048
Co
nce
ntr
ació
n C
t
Conductividad m/V
Curva de Calibración de la Perlita T-A
220 240 260 280 300 320
0.032
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
0.044
0.046
0.048
Co
nce
ntr
ació
n C
t
Conductividad m/V
Curva de Calibración de la piedra pómez T-A
220 240 260 280 300 320
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
0.044
0.046
0.048
Co
nce
ntr
ació
n C
t
Conductividad m/V
Curva de Calibración del tezontle T-A
En la tabla 6 se aprecia la similitud en los rangos de variación de los resultados
derivados de las 3 muestras a temperatura ambiente de puzolana natural:
Tabla 7 Variación en la concentración de Ca(OH)2, en mol/l para una solución de
tezontle-Ca(OH)2, sometida a 40°C.
Figura 26 representa la variación de la concentración mol/l, con relación al tiempo
de acuerdo a los valores medidos en las tablas 6 y 7, para el tezontle.
Tiempo (hr)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 24 24,5 25 25,5
Muestra
Tezontle 0.047 0.046 0.045 0.045 0.045 0.045 0.045 0.044 0.044 0.039 0.039 0.036 0.035
Piedra pómez
0.047 0.046 0.045 0.045 0.045 0.045 0.045 0.044 0.044 0.039 0.039 0.036 0.034
Perlita 0.047 0.046 0.046 0.045 0.045 0.045 0.045 0.044 0.044 0.039 0.038 0.035 0.034
Tiempo (hr)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 24 24,5 25 25,5
Muestra
Tezontle 0.047 0.046 0.045 0.045 0.045 0.045 0.045 0.044 0.044 0.039 0.039 0.036 0.035
29
0 5 10 15 20 25 30
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
0.044
0.046
0.048
Co
nce
ntr
ació
n m
ol/l
Tiempo
Reactividad puzolánica del tezontle T-A
Tabla 8 Variación en la concentración de Ca(OH)2, en mol/l para una solución de
piedra pómez-Ca(OH)2, sometida a 40°C.
Figura 27 representa la variación de la concentración mol/l, con relación al tiempo
de acuerdo a los valores medidos en las tablas 6 y 8, para la piedra pómez.
Tiempo (hr)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 24 24,5 25 25,5
Muestra
Piedra pómez
0.047 0.046 0.045 0.045 0.045 0.045 0.045 0.044 0.044 0.039 0.039 0.036 0.034
30
0 5 10 15 20 25 30
0.032
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
0.044
0.046
0.048
Co
nce
ntr
ació
n m
ol/l
Tiempo
Reactividad puzolánica de la piedra pomez T-A
Tabla 9 Variación en la concentración de Ca(OH)2, en mol/l para una solución de
perlita-Ca(OH)2, sometida a 40°C.
Figura 28 representa la variación de la concentración mol/l, con relación al tiempo
de acuerdo a los valores medidos en las tablas 6 y 9, para la piedra pómez.
Tiempo (hr)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 24 24,5 25 25,5
Muestra
Perlita 0.047 0.046 0.046 0.045 0.045 0.045 0.045 0.044 0.044 0.039 0.038 0.035 0.034
31
0 5 10 15 20 25 30
0.032
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
0.044
0.046
0.048
Co
ncn
etr
ació
n m
ol/l
Tiempo
Reactividad puzolánica de la perlita T-A
Figura 29 representa la reactividad de las diferentes muestras de puzolana natural
a temperatura ambiente (T-A) en mol/l, con relación al tiempo de acuerdo a los
valores medidos en la tabla 6.
32
0 5 10 15 20 25 30
0.032
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
0.044
0.046
0.048
Perlita
Piedra pómez
Tezontle
Co
nce
ntr
ació
n m
ol/l
Tiempo hr
Reactividad de las diferentes muestras a T-A
Figuras 21 y 29 representa la comparación de la reactividad de las diferentes
muestras de puzolana natural a 40°C y a temperatura ambiente (T-A).
33
-1 0 1 2 3 4 5 6 7
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
0.045
Perlita
Piedra pómez
Tezontle
Co
nce
ntr
ació
n m
ol/l
Tiempo hr
Reactividad de las diferentes muestras a 40°C
0 5 10 15 20 25 30
0.032
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
0.044
0.046
0.048
Perlita
Piedra pómez
Tezontle
Co
nce
ntr
ació
n m
ol/l
Tiempo hr
Reactividad de las diferentes muestras a T-A
Análisis y discusión de los resultados
Se ah efectuado una comparación entre los resultados de la conductividad
eléctrica a 40°c y temperatura ambiente. Llegando a la conclusión de que la perlita
es la mejor opción para reaccionar con el hidróxido de calcio, ya que en ambas
temperaturas demostró tener una superioridad ante la piedra pómez y el tezontle.
Como se puede apreciar las mediciones de la conductividad eléctrica de la
solución a partir del tiempo 0 ha experimentado cambios muy significativos en la
muestra de la perlita con esto se quiere suponer que fue por las variaciones de
temperatura ± 5 C que tuvieron las muestras al no poder ser controlada, sin
embargo a pesar de las variaciones de temperatura la piedra pómez y el tezontle
se mantuvieron con una escasa baja de conductividad.
Al medir la conductividad a temperatura ambiente las tres muestras mantuvieron
una conductividad similar, sin embargo la perlita siguió mostrando superioridad
ante la piedra pómez y el tezontle.
34
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES
35
CAPÍTULO 5
5.0 Conclusiones y Recomendaciones
De acuerdo con los resultados obtenidos de los métodos de caracterización por
difracción de rayos X (DRX) y microscopia electrónica de barrido (MEB-EDX). En
primer instancia las fases cristalinas no poseen actividad puzolánica, sin embargo
aquellas que se encuentran en un estado vítreo, como en el caso de la perlita y la
piedra pómez se revela dicha actividad, la cual depende de la cantidad de iones
en disolución que se encuentran en su red atómica ya que estos iones generan
una estabilidad estructural del material. Respectivamente se procedió a utilizar el
método de microscopia electrónica de barrido el cual reveló la composición
química que de acuerdo con la norma ASTM C618 el contenido de Oxido de
Sílice, Oxido de aluminio y Oxido de fierro debe de ser alta de un 70% o más es
estas fases, sin embargo esto es simplemente arbitrario ya que de igual manera la
perlita presentó un mayor contenido en estos componentes que fue de 61.42%,
seguida de la piedra pómez con 59.29%, la zeolita con 57.36%, y el tezontle con
55.86%.
De acuerdo a la caracterización se decidió sólo utilizar 3 de las muestras ya que la
perlita y la piedra pómez de acuerdo a los análisis son las más adecuadas como
cementantes sin embargo no se descarto el uso de una de las otras muestras
aunque ambas presentan en sus componentes más del 50% en la suma de estos,
y la zeolita tuvo una mejor morfología en sus fases, se tomó la decisión de utilizar
el tezontle para saber que sucedía.
Los datos finales de la conductividad eléctrica o del método cal-puzolana
demuestran la superioridad de la perlita a diferentes temperaturas mientras va
pasando el tiempo mayor ah sido la reactividad, seguido de la piedra pómez y el
tezontle.
La conclusión más importante es el hecho de la implementación de puzolanas
naturales como material de construcción en este caso, se ah comprobado que la
perlita es la mejor opción para nosotros, seguido de la piedra pómez, el tezontle
aunque su reactividad fue bajando el material se seguía quedando disuelto en
cambio la perlita y la piedra pómez se endurecían cada vez más.
36
Recomendaciones
Durante el desarrollo del proyecto se presentaron algunos inconvenientes en la
evaluación de la actividad puzolánica, se recomienda que se pueda controlar la
temperatura para no tener variaciones tan bruscas, además de que para nosotros
el método no fue tan efectivo, a como lo han empleado otros autores.
Otra de las recomendaciones es utilizar otros métodos como el método A (frake
modificado) explicado en la norma ASTM C114-00.
De igual manera, se recomienda dar seguimiento al proyecto hasta lograr el
objetivo de su uso como cementante en la elaboración de ladrillos compactados
de arcilla y utilizando métodos que sean sencillos y rápidos pero efectivos.
37
Referencias:
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using alker-gypsum-stabilized earth: A case study from northern Cyprus, Science
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volcán popocatepetl y su aplicación como material cementante en su estado
natural, Revista Ingeniería de Construcción, 19 (3), 127.
Rodriguez M. A. y Saroza, B. (2006, June) Determination of the optimum
composition of adobe brick for a school in Cuba, Materiales de construcción, 56
(282), 53-62.
Salazar, A (2002). Síntesis de la tecnología del concreto (3ª Ed.). Cali, Corporación Construir.
Valdez Tamez, Das y Rivera (2004). Evaluación de la velocidad de hidratación en
sistemas puzolanas naturales-portlandita, Ciencia UANL, 2 (7), 190-195.
38