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EVALUACIÓN DEL USO DE LODOS DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL DE LA INDUSTRIA DE AUTOLAVADO COMO SUSTITUTO
PARCIAL EN LA ELABORACIÓN DEL CEMENTO
Proyecto de Grado por
MARÍA CAMILA RODRÍGUEZ FERNÁNDEZ
Presentado a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes
En cumplimiento parcial de los requisitos de grado de
INGENIERA AMBIENTAL
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
BOGOTÁ D.C DICIEMBRE 2019
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EVALUACIÓN DEL USO DE LODOS DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL DE LA INDUSTRIA DE AUTOLAVADO COMO SUSTITUTO
PARCIAL EN LA ELABORACIÓN DEL CEMENTO
Proyecto de Grado por
MARÍA CAMILA RODRÍGUEZ FERNÁNDEZ
Presentado a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes
En cumplimiento parcial de los requisitos de grado de
INGENIERA AMBIENTAL
Asesor, Juan Fernando Saldarriaga E. Coasesora, Ximena Gaviria G. Director del departamento, Luis Alejandro Camacho B,
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
BOGOTÁ D.C DICIEMBRE 2019
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RESUMEN
Evaluación del uso de lodos de una planta de tratamiento de agua residual de la industria de autolavado como sustituto parcial en la elaboración del cemento
(diciembre 2019)
María Camila Rodríguez Fernández, Universidad de los Andes, Colombia Asesor: Juan Fernando Saldarriaga Elorza
Se utilizaron lodos provenientes de una planta de tratamiento de agua residual de la industria de
autolavado como reemplazo en pastas de cal para evaluar su reactividad. Las pastas se prepararon
según la norma ASTM C-305 con una relación másica de 0.5 agua/cal y se dejaron en proceso de
curado durante 56 días. Los lodos fueron estudiados con pretratamiento (LI) y sin ningún tipo de
pretratamiento (LS), dicho pretratamiento consistió en la calcinación de los lodos a 650°C. Ambas
muestras de lodos fueron caracterizadas por fluorescencia de rayos X (FRX), plasma acoplado
inductivamente (ICP) y análisis elemental. Las pastas se prepararon con un reemplazo de 5%, 10
%, 15% y 20% con cada muestra de lodos. Durante el proceso de curado, se midió la reactividad
de los lodos y su respectiva formación de geles C-S-H, esto se determinó mediante análisis
termogravimétrico (TGA). Posterior a esto, las mezclas que presentaron mayor reactividad en el
día 28 (LS5%, LS10%, L10% y LI20%) fueron empleadas para la fabricación de monolitos de
cemento según la norma ASTM C-305 con una relación másica de 0.5 agua/cemento y se dejaron
en proceso de curado durante 28 días. Durante este proceso se determinó su reactividad por TGA
y su resistencia mecánica utilizando una prensa de prueba universal (UTP) según el estándar NTC
220. Al final del proceso se encontró que las mezclas de LS% y LI10% presentaron la mayor
reactividad y resistencia, estando cerca del valor alcanzado por la muestra de cemento puro.
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ABSTRACT Evaluation of Sludge Residues from Car Washing Sewage Treatment Plant as Cement Substitute
(December 2019)
María Camila Rodríguez Fernández, Universidad de los Andes, Colombia Adviser: Juan Fernando Saldarriaga Elorza
Sludge residues from car washing sewage treatment plant was evaluated as substitute in lime paste
synthesis according to ASTM C-305, with 0.5 water/CaO mass proportion and 56 days of curing
process. Dry sludge residues were used with (LI) and without (LS) pretreatment, which consisted
in sludge calcination at 650ºC, both samples were characterized by X-Ray fluorescence (XRF),
inductively coupled plasma (ICP) and elemental analysis. The pastes were prepared with a
replacement of 5%, 10%, 15% and 20% every sample of sludge residue. During curing process,
formation of hydrate calcium silicate was determined by thermogravimetric analysis (TGA), at 28
days of the process it was obtained that LS5%, LS10%, LI10% and LI20% replacements presented
greater quantities of hydrate calcium silicate (CSH) in their formulation. Consequently, these
proportions were used as substitute of cement in cement monoliths synthesis according to ASTM
C-305 with 0.5 water/cement mass proportion and 28 days of curing process. The mechanical
strength properties of every mixture were probed by their load resistance determination using a
universal testing press (UTP) according to NTC 220 standard during curing process. Additionally,
the formation of hydrate calcium silicate was also determined by TGA. At the end, mixtures of
LS5% and LI10% presented the highest mechanical strength and reactivity, close to the results
obtained with pure cement.
v
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN .................................................................................................................................... iii
ABSTRACT ................................................................................................................................... iv
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 1
1.1 Mecanismo de hidratación ............................................................................................... 3
2. MATERIALES Y MÉTODOS ................................................................................................ 6
2.1 Materiales ......................................................................................................................... 6
2.2 Tratamiento de los lodos .................................................................................................. 6
2.3 Composición Química ...................................................................................................... 6
2.4 Preparación de las pastas de cal ....................................................................................... 8
2.5 Preparación de los monolitos de cemento ........................................................................ 8
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................................. 9
3.1 Análisis Termogravimétrico de las pastas de cal ............................................................. 9
3.2 Análisis Termogravimétrico de los monolitos de cemento ............................................ 12
3.3 Pruebas de resistencia a compresión .............................................................................. 14
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................... 16
REFERENCIAS ............................................................................................................................ 17
ANEXOS ...................................................................................................................................... 19
Anexo 1 ................................................................................................................................. 19
Anexo 2 ................................................................................................................................. 20
vi
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Compuestos principales del cemento ................................................................................ 4
Tabla 2 Muestras de lodo ............................................................................................................... 6
Tabla 3 Composición química de los lodos según resultados de FRX .......................................... 7
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Hidratación mezcla pasta de cal pura, días 1,3,7,14,28 y 56 ......................................... 10
Figura 2 Hidratación pasta de cal 20% de sustitución lodos calcinados, días 1,3,7,14,28 y 56 ... 10
Figura 3 Alta resolución análisis gravimétrico pastas LS5 LS10 LI10 y LI20, día 28 ................ 11
Figura 4 Hidratación pasta de cemento sin sustitución, días 1,7,14 y 28 .................................... 12
Figura 5 Hidratación pasta de cemento sustitución LI10%, días 1,7,14 y 28 .............................. 12
Figura 6 Alta resolución Análisis Termogravimétrico sustituciones LI10, LI20, LS5, LS10 día
28 .................................................................................................................................................. 13
Figura 7 Resultados Pruebas de Resistencia ................................................................................ 15
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1. INTRODUCCIÓN
El concreto es el material constructivo más producido y utilizado en el mundo debido a que es
económico y resistente; sin embargo, su producción deja altos impactos ambientales. Por un lado,
se tiene que la producción de cemento aporta el 5% de las emisiones globales de CO#, el cual se
libera a partir de la incineración de piedra caliza y los procesos de combustión requeridos para
dicho fin, donde se requieren temperaturas extremas (hasta 1400°C) generando altos niveles de
dispersión de energía. Por esta razón, es necesario encontrar sustitutos ecológicos del cemento y
poder reducir las emisiones de efecto invernadero que actualmente se generan (Toniolo &
Boccaccini, 2017). Adicional a esto, el empleo de adiciones en la industria cementera también
satisface diferentes razones técnicas, así como las ambientales, ya que estas adiciones se
fundamentan en la facilidad de reaccionar químicamente con la cal liberada (hidróxido de calcio)
por el cemento durante el proceso de hidratación, formando productos cementantes estables con el
tiempo, permanentes insolubles en agua y resistentes a diferentes exposiciones agresivas. Sin
embargo, los aditivos de cemento no manifiestan su actividad de forma inmediata, su proceso de
hidratación es realmente lento, lo cual disminuye su liberación de calor y la adquisición de
resistencia es lenta a edades tempranas (7 y 14 días), con un desarrollo de resistencias más altas
luego de los 28 días de hidratación. Adicionalmente, la reducción de calor liberado disminuye el
riesgo de agrietamiento por contracción de fraguado.
Las puzolanas generalmente son más pequeñas que el grano de cemento, permitiendo que el
concreto tenga mayor manejabilidad en estado fresco (aunque pueden requerir de una cantidad de
2
agua de mezclado mayor), luego, en estado endurecido, estas partículas aprovechan su menor
tamaño para obturar los espacios dejados por el cemento y hacer que la masa de concreto sea
menos permeable, obteniendo un concreto más durable (Matallana, 2006).
Entre los materiales estudiados como sustituto de cemento se encuentran diversas categorías de
cenizas volantes, las cuales ya se han utilizado para la estabilización de vías y e incluso material
de construcción (del Valle-Zermeño, Chimenos, Giró-Paloma, & Formosa, 2014). Su uso principal
es como aditivo mineral del cemento Portland o como componentes del cemento mezclado
(Fontseré Obis, Germain, Troesch, Spillemaecker, & Benbelkacem, 2017). Las cenizas volantes
se pueden denominar cementantes o puzolánicas según su contenido de dióxido de calcio (CaO),
si estas tienen un alto contenido de CaO presentan propiedades cementantes y puzolánicas,
mientras que si presentan un bajo contenido de CaO se denominan cenizas Clase F y presentan
principalmente propiedades puzolánicas (Sua-Iam & Makul, 2015). Es decir, presentan material
alumino-silíceo en su contenido y reacciona con hidróxido de calcio y agua formando diferentes
compuestos de silicatos cálcicos hidratados (geles C-S-H), los cuales proporcionan alta dureza y
resistencia al material. Por esta razón, las cenizas volantes Clase F han sido utilizadas como
sustituto parcial del Clinker (componente principal del cemento Portland común), además de
reducir la permeabilidad y el calor de hidratación debido a su morfología (Kwan & Chen, 2013).
Por otro lado, algunos de los demás materiales estudiados como sustitutos de cemento son los
geopolímeros, los cuales no forman geles C-S-H sino que utilizan la policondensación de sílice y
alúmina como precursores para obtener un nivel alto de resistencia. Son materiales innovadores
ya que se endurecen a temperatura ambiente y no requieren altas temperaturas de tratamiento, lo
cual reduce considerablemente las emisiones de gases de efecto invernadero. Por esta razón, han
sido estudiados en diferentes campos de aplicación como son los filtros refractarios, paneles
3
livianos para aislamiento térmico y acústico, cerámica de bajo costo y estructuras de protección
contra incendios (Toniolo & Boccaccini, 2017).
Como ampliación al campo de estudio de materiales sustitutos, en este estudio se propone evaluar
el proceso de hidratación y la resistencia a compresión de pastas de cal y cemento elaboradas con
lodos provenientes de una planta de tratamiento residual del sector de autolavado. Esto debido a
que los lodos generados en plantas de tratamiento corresponden alrededor del 5% del volumen
total de agua tratada (Cristià Roca, Armenter Ferrando, Cusidó Fábregas, Arteaga Núñez, &
Cremades Oliver, 2003). Actualmente, los lodos provenientes de plantas de tratamiento residual
de la industria de autolavado son utilizados únicamente como estabilizadores de terreno en rellenos
sanitarios, cuando una de las opciones de aprovechamiento que se les puede dar es como elementos
de construcción civil con alta factibilidad técnica (Husillos Rodríguez et al., 2011). Adicional a
esto, esta actividad reduciría los costos de tratamiento y disposición final de los lodos, los cuales
contribuyen al 50% del costo total del tratamiento de aguas residuales, teniendo en cuenta también
que cada vez son menores las áreas aptas para la construcción de sitios de disposición final y a los
impactos asociados a la contaminación atmosférica generada por la incineración de residuos (Issn,
2006).
1.1 Mecanismo de hidratación
El proceso de hidratación es en el cual el cemento, en presencia de agua, reacciona químicamente
y desarrolla sus propiedades aglutinantes; es decir, los componentes principales del cemento, los
cuales se presentan en la Tabla 1. Dichos compuestos en presencia de agua forman productos de
hidratación en la pasta de estado fresco, la cual torna a una masa rígida con el tiempo y luego
endurece dando origen a las propiedades mecánicas requeridas en aplicaciones de la construcción.
4
Tabla 1 Compuestos principales del cemento
Compuesto Fórmula Química Abreviatura Silicato tricálcico 3𝐶𝑎𝑂. 𝑆𝑖𝑂# 𝐶+𝑆 Silicato bicálcico 2𝐶𝑎𝑂. 𝑆𝑖𝑂# 𝐶#𝑆 Aluminato tricálcico 3𝐶𝑎𝑂. 𝐴𝑙#𝑂+ 𝐶+𝐴 Ferroaluminato tetracálcico 4𝐶𝑎𝑂. 𝐴𝑙#𝑂+𝐹𝑒#𝑂+ 𝐶0𝐴𝐹
Cuando un gramo de cemento entra en contacto con el agua no reacciona completamente, sino que
forma una película superficial; por lo tanto, en la parte interior queda un núcleo inerte (no ha
reaccionado). La parte del cemento que ha reaccionado se le denomina GEL. La tasa de hidratación
disminuye con el paso del tiempo, esto explica por qué los granos más gruesos pueden durar varios
años en hidratarse o incluso no hidratarse nunca, perjudicando directamente el rendimiento del
cemento. Esto implica que para aprovechar el potencial de reacción de cemento con el agua, es
necesario continuar hidratando la mezcla luego de que esta haya fraguado, a este proceso se le
denomina curado, el cual es más eficiente si se aplica con prontitud y se mantiene constante los
primeros 4 días mínimo, tiempo en el cual se desarrolla con mayor velocidad el proceso de
hidratación (Matallana, 2006).
La hidratación de la pasta de cemento Portland a temperatura ambiente se caracteriza por diferentes
etapas:
• Pre-inducción: luego del contacto del cemento y el agua, se realiza una disolución
inmediata de especies iónicas, tales como: K2, Na2, SO07#, Ca2#. Adicional a esto, se
disuelve C+S formando una capa de geles C-S-H, las cuales precipitan sobre la superficie
del cemento, generando una barrera entre la fase no hidratada y la solución; por lo tanto,
se reduce la tasa de hidratación. Esta etapa dura los primeros minutos de todo el proceso.
• Inducción: en esta etapa la hidratación de los minerales de Clinker es considerablemente
lenta, se alcanza la máxima concentración de hidróxido de calcio y comienza a decaer
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debido al comienzo de la formación de la segunda fase de geles C-S-H. Esta etapa abarca
las primeras horas de todo el proceso.
• Aceleración: en esta etapa la tasa de hidratación se incrementa y es controlada por la
nucleación y el crecimiento de los productos hidratados. La tasa de hidratación de C+S se
acelera y es posible notar la hidratación de C#S. Adicional a esto, es posible notar una
precipitación de la portlandita (hidróxido de calcio sólido) reduciendo la concentración de
iones Ca2# y los iones de SO07# también se ven reducidos debido a su adsorción en la
superficie de geles C-S-H. Esta etapa dura entre 3 a 12 horas luego del proceso de
mezclado.
• Post-aceleración: la tasa de hidratación decae nuevamente ya que, al reducirse la cantidad
del material no hidratado, este proceso es controlado por la difusión. La tasa de hidratación
de C#S incrementa y la tasa de formación de hidróxido de calcio se reduce (Lea & Hewlett,
2001).
Los constituyentes C+S y C#S son los que más contribuyen a la resistencia del cemento, ya que el
C+S se hidrata más rápido que el C#S, contribuye principalmente al tiempo de fraguado y a la
resistencia inicial (entre los días 1 y 7 de hidratación), provocando el endurecimiento normal de la
pasta. Por otro lado, la acción endurecedora del C#S se presenta después (entre los días 7 y 28 de
hidratación, se puede prolongar por un año). Adicional a esto, el C+A se hidrata rápidamente y
contribuye a la resistencia las primeras 24 horas y es el componente menos estable, generando
propiedades indeseables en el cemento, tales como cambios volumétricos y baja resistencia a
sulfatos. Por otro lado, el C+AF funciona como catalizador mas no como aportador de resistencia.
En general, se esperaría que al día 1 del período de hidratación se adquiera un 10% de resistencia,
a los 3 el 40%, a los 7 el 70% , a los 14 el 90% y a los 28 el 100% (Matallana, 2006).
6
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Materiales
Los lodos utilizados en este proyecto fueron obtenidos de la empresa de autolavado FERRAUTOS
ubicada en la ciudad de Bogotá. El dióxido de calcio es marca MATERQUIM S.A.S y el cemento
marca ARGOS, el cual fue proveído por el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la
Universidad de los Andes.
2.2 Tratamiento de los lodos
Los lodos fueron secados a 105°C en un horno de convección forzada durante 24 horas. Luego de
esto fueron macerados y tamizados con malla 60. Posteriormente, parte del material fue calcinado
a 650°C en una mufla durante 4 horas. De esta forma, se obtuvieron dos muestras de material como
se muestra en la Tabla 2.
Tabla 2 Muestras de lodo
Muestra Condición LS Sin Calcinación LI Con Calcinación
2.3 Composición Química
La composición química de ambas muestras de lodos se analizó mediante por fluorescencia de
rayos X (FRX), los resultados se muestran en la Tabla 3. Se puede decir que ambas muestras de
lodos pueden clasificarse como cenizas volantes tipo F o cenizas silicoaluminosas según el
estándar ASTM C618, esto debido a que el contenido total de SiO#, Al#O+yFe#O+suman más del
70% en ambos casos, 85.26% para el caso de los lodos secos (LS) y 86.49% para los lodos
calcinados (LI). Adicional a esto, el contenido de CaO y SO+es inferior al 10% y 5%
respectivamente. Este tipo de cenizas, al presentar un bajo contenido de cal y mayor combinación
de sílice, aluminio y hierro, pueden presentar propiedades ligantes en presencia de activadores de
7
su puzolanicidad (cal o cemento), además de ser hidrofílicas y presentar propiedades puzolánicas,
lo cual permite tener excelente durabilidad, baja permeabilidad a iones de cloruro y no muestra
expansión adversa cuando se incorporan agregados altamente reactivos al concreto (Cáceres &
Quispe, 2018). La prevención al ataque de cloruros se debe principalmente a la presencia de
aluminio, ya que la alúmina amorfa y el cloro se combinan químicamente formando la conocida
sal de Friedel, evitando que el cloro penetre al interior de la estructura y aunque los iones de cloruro
no revisten mayor peligro al concreto como tal, sí corroen el acero de refuerzo (Matallana, 2006).
Tabla 3 Composición química de los lodos según resultados de FRX
Compuesto Muestra LS (% w/w) LI (% w/w)
𝐴𝑙#𝑂+ 10.450 9.445 𝑆𝑖𝑂# 61.773 65.710 𝑃#𝑂@ 0.570 0.530 𝑆𝑂+ 1.474 1.353 𝐶𝐼 0.264 0.198 𝐾#𝑂 1.782 1.690 𝐶𝑎𝑂 8.166 7.479 𝑇𝑖𝑂# 1.557 1.439 𝑀𝑛𝑂 0.133 0.124 𝐹𝑒#𝑂+ 13.042 11.338 𝐶𝑢𝑂 0.215 0.178 𝑍𝑛𝑂 0.296 0.253 𝑆𝑟𝑂 0.092 0.082 𝑍𝑟𝑂# 0.188 0.182
Por otro lado, los resultados de los análisis realizados por plasma acoplado inductivamente (ICP)
y análisis elemental para los lodos secos y los lodos calcinados, se encuentran disponibles en el
Anexo 1 y en el Anexo 2 respectivamente. A partir de dichos análisis es posible decir que ninguna
de las dos muestras de lodos se puede catalogar como residuo peligroso. Sin embargo, la
concentración de plomo de los lodos secos es alta en comparación al estándar, pero no es
8
concluyente ya que el valor reportado se encuentra entre el límite de detección y el límite de
cuantificación. Por otro lado, no es posible concluir sobre la concentración de mercurio en ninguna
de las muestras, esto debido a que el límite máximo se encuentra por debajo del límite de detección
del equipo, teniendo en cuenta que este último valor es el que se reporta en los resultados (EPA,
1999). Por otro lado, el contenido de nitrógeno, azufre, carbono e hidrógeno de los lodos secos es
bajo, lo que implica que el contenido de dichos elementos en los lodos calcinados es aún menor.
2.4 Preparación de las pastas de cal
Las pastas se prepararon según el estándar ASTM C-305, utilizando una relación másica de
agua/cal de 0.5, realizando sustituciones en peso de cal del 5%, 10%, 15% y 20% con cada una de
las muestras de lodos. Posteriormente, las pastas se sometieron a un proceso de curación con agua
a 25°C durante 56 días, en medio de este proceso se tomaron 10g de muestra de las pastas los días
1,3,7,14, 28 y 56 y se detuvo el proceso de hidratación con acetona. Luego las muestras se secaron
a 60°C durante una hora para garantizar la evaporación del agua y finalmente realizar el análisis
termogravimétrico (TGA) en el equipo TGA-5500 Discovery de TA Instruments, con una rampa
de temperatura entre 30 y 600°C a una tasa de calentamiento de 10°C/min y utilizando N2 UAP
como gas de purga.
2.5 Preparación de los monolitos de cemento
A partir de los mejores resultados de las pruebas de reactividad con cal y de acuerdo con los análisis
termogravimétricos realizados a las pastas de cal a los 28 días del proceso de curación, se
seleccionaron las dos sustituciones de cada muestra de lodo en las que mayor proporción de geles
C-S-H se presentara para la preparación de las pastas de cemento. En este caso, las pastas se
prepararon según el estándar ASTM C-305, utilizando una relación másica de agua/cemento de
0.5, realizando las debidas sustituciones en peso de cemento por cada muestra de lodo, luego de
9
este proceso se realizaron los monolitos a partir de las pastas utilizando moldes de PVC de una
pulgada de diámetro por dos pulgadas de largo. Posteriormente, los monolitos se sometieron a un
proceso de curación a 25°C durante 28 días, en medio de este proceso se fallaron tres monolitos
de cada sustitución los días 1,7,14 y 28 en una prensa de prueba universal con el fin de determinar
la resistencia mecánica de las pastas. Luego de los fallos, se tomaron 10 g de muestra restante de
los monolitos, en donde se detuvo el proceso de hidratación con acetona, y se secaron las muestras
a 60°C durante una hora para garantizar la evaporación del agua y finalmente realizar el análisis
termogravimétrico (TGA) en el equipo TGA-5500 Discovery de TA Instruments, con una rampa
de temperatura entre 30 y 600°C a una tasa de calentamiento de 10°C/min y utilizando N2 UAP
como gas de purga.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Análisis Termogravimétrico de las pastas de cal
En la Figura 1 se observa la evolución del proceso de hidratación de la pasta de cal sin sustitución
hasta el día 56 del proceso de curación. En la Figura 2 se muestra la sustitución realizada en un
20% de lodos calcinados (LI20) donde es posible notar la transformación de portlandita (pico entre
400 y 500°C) a alguna fase de geles C-S-H (pico entre 50 a 100°C), este mismo efecto se presentó
en todas las pastas realizadas. Sin embargo, las sustituciones LS5, LS10 y LI10, además de las
LI20, presentaron un alto pico de descomposición de geles C-S-H. Lo anterior es posible
identificarlo en la Figura 3, en donde se observan los resultados hasta el día 28 de curación. Por
otro lado, en la Figura 1 no es posible evidenciar la formación de geles C-S-H, solo la presencia y
evolución de la portlandita, esto debido a que no había presencia de ninguna muestra de lodos en
la muestra y por ende tampoco hubo activación de las propiedades puzolánicas. Por otro lado, los
picos fueron más notorios a medida que se avanzaba el tiempo de curación.
10
La formación de geles C-S-H y no solamente de portlandita es el comportamiento idóneo en el
proceso de hidratación, ya que de esta manera se presenta la resistencia de cualquier material
asociado al cemento (Lea & Hewlett, 2001). Lo cual favorece entonces su mezcla con cemento
para la evaluación de su respectiva reactividad.
Figura 1 Hidratación mezcla pasta de cal pura, días 1,3,7,14,28 y 56
11
Figura 2 Hidratación pasta de cal 20% de sustitución lodos calcinados, días 1,3,7,14,28 y 56
Figura 3 Alta resolución análisis gravimétrico pastas LS5 LS10 LI10 y LI20, día 28
12
3.2 Análisis Termogravimétrico de los monolitos de cemento
A partir de los resultados con las pastas de cal, se prepararon los monolitos de cemento con
sustitución de LS5, LS10, LI10 y LI20 de lodos, además de la preparación de un blanco. Como se
puede observar en la Figura 4, en la mezcla de cemento puro existe formación de portlandita y su
respectiva transformación en alguna fase de geles C-S-H a partir del día 1, luego del día 7 es
posible apreciar la formación de geles C-A-S-H (pico entre 100 y 150°C). Esto también ocurre
para la mezcla LI10 como se puede observar en la Figura 5 y en general se pueden observar estos
mismos resultados para todas las sustituciones realizadas según la Figura 6.
Figura 4 Hidratación pasta de cemento sin sustitución, días 1,7,14 y 28
13
Figura 5 Hidratación pasta de cemento sustitución LI10%, días 1,7,14 y 28
Figura 6 Alta resolución Análisis Termogravimétrico sustituciones LI10, LI20, LS5, LS10 día 28
14
Teniendo en cuenta que la relación másica agua/cal puede variar entre 0.3 y 0.7 generalmente, es
relevante recalcar que si dicha relación es suficiente el proceso de hidratación progresa hasta que
todo el cemento se consume. Sin embargo, si la relación es baja, puede que la reacción se detenga
dejando de lado gran parte del cemento sin reaccionar (Lea & Hewlett, 2001). Por lo tanto, sería
recomendable estudiar este factor con el fin de determinar si la relación utilizada (0.5) tanto en
pastas de cal como en pastas de cemento es suficiente.
3.3 Pruebas de resistencia a compresión
Según los resultados presentados en la Figura 7, es posible observar cómo la resistencia mecánica
incrementa con el tiempo en la mayoría de las mezclas, lo cual es congruente con la formación de
geles C-S-H y C-A-S-H a partir del primer y séptimo día de hidratación, respectivamente.
Adicional a esto, es posible notar que entre mayor sea el porcentaje de sustitución de material, más
lenta es la adquisición de resistencia a edades tempranas como es de esperarse, por lo cual es
recomendable realizar pruebas de resistencia a compresión luego de un tiempo mayor de curación,
ya que este tipo de mezclas alcanza la resistencia máxima luego de los 28 días del período de
hidratación (Matallana, 2006).
Adicionalmente, es posible decir que las mezclas realizadas con cemento puro, LS5 y LS10
cumplen con los estándares de resistencia establecidos para cemento Tipo 4 para el día 28 de
hidratación según la norma ASTM C – 150, ya que se alcanzó una resistencia mecánica de 22.24,
20.22 y 18.60 MPa respectivamente, teniendo en cuenta que la mínima resistencia permitida es de
17.5 MPa. Este tipo de cemento se caracteriza por presentar un bajo calor de hidratación y su
composición química está dada principalmente por C+S y C#S, por esa razón es utilizado para las
estructuras de concreto masivo como grandes presas, donde el incremento de la temperatura es un
factor crítico resultado de un calor alto generado durante el proceso de endurecimiento.
15
Por otro lado, solamente los monolitos realizados a partir de cemento puro cumplen con la
resistencia mínima requerida para cemento Tipo 5 (21 MPa) y en ninguno de los casos se cumplió
con el estándar requerido para cemento Tipo 1 (24 MPa). El cemento Tipo 5 se caracteriza por
presentar alta resistencia a los sulfatos, su composición química presenta una contribución de C+A
y C0𝐴𝐹 aún menor que el cemento Tipo 4 y se suele utilizar para estructuras en suelos en contacto
con aguas subterráneas con un alto contenido de sulfato (Matallana, 2006).
Por el contrario, las mezclas realizadas con sustituciones LS10 y LI20 no alcanzan a cumplir
ningún tipo de estándar, ya que presentaron una resistencia promedio de 16.58 y 16.98 MPa
respectivamente. Sin embargo, no es posible concluir aún sobre su impedimento como sustituto de
cemento, ya que la adquisición de resistencia es más lenta y presentan presentar alta reactividad
en la formación de geles C-S-H. Asimismo, también se espera que las sustituciones LS5 y LI10
incrementen su resistencia luego de los 28 días de hidratación, esto debido a que los cementos Tipo
4 y Tipo 5 presenta una resistencia relativa del 75 y 85% respectivamente y además, su componente
principal es C#S, el cual puede seguirse hidratando hasta en periodos de un año.
Figura 7 Resultados Pruebas de Resistencia
16
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En este proyecto fue posible caracterizar y evaluar la reactividad de los lodos provenientes de una
PTAR de la industria de autolavado, de tal forma que se identificaron sus propiedades puzolánicas
y su viabilidad como sustitutos de cemento en al menos 5% con los lodos puros y al menos un
10% con los lodos calcinados, dándoles un uso específico en construcción y cumpliendo con los
estándares técnicos requeridos para ello. Es posible establecer un medio de aprovechamiento de
este material y evitar su continua disposición en rellenos sanitarios.
Por otro lado, es recomendable estudiar diferentes relaciones agua/cal y/o agua/cemento con el fin
de determinar su incidencia sobre el proceso de hidratación. Adicional a esto, es recomendable
estudiar la reactividad y la resistencia a compresión de las sustituciones realizadas con un período
de hidratación superior a 28 días, esto debido a que posiblemente contengan un alto porcentaje de
C#S, compuesto que proporciona resistencia a una tasa muy lenta. De esta forma, podría
encontrarse que las sustituciones del 20% cumplen con los estándares requeridos con un tiempo
mayor de hidratación, lo cual permitiría estudiar reactividad de sustituciones a porcentajes de
reemplazo mayores
Por último, es recomendable determinar las fases de C-S-H que se están formando durante el
proceso de curado mediante análisis termogravimétricos de alta resolución, al igual que la
formación de portlandita.
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ANEXOS
Anexo 1 Resultados ICP y Análisis Elemental LS
20
Anexo 2 Resultados ICP y Análisis Elemental LI
