Activación térmica del lodo de papel estucado para su valorización como adición puzolánica en la industria cementera

Resumen

Este trabajo de investigación presenta un estudio científico-técnico de la valorización de un residuo generado en la industria de reciclaje de papel, lodo de papel estucado (LPE, en adelante) como adición puzolánica. Para tal objetivo, se evaluó su comportamiento químico, físico-mecánico y químico-resistente dentro de una matriz cementante, a fin de asentar las bases que permitirán diseñar, sintetizar y elaborar un nuevo cemento comercial que incorpore este residuo industrial. En primer lugar, la caracterización realizada al LPE de partida mediante espectrometría de fluorescencia de rayos X (FRX), difracción de reyos X (DRX), microscopía electrónica de barrido y análisis por energías dispersivas (SEM-EDX) y análisis termogravimétrico y térmico diferencial (TG/ATD), puso de manifiesto que, las principales fases mineralógicas constituivas son calcita y caolinita. Es bien sabido, que esta última fase adquiere considerables propiedades puzolánicas cuando es activada térmicamente. En segundo lugar, se seleccionaron varios tratamientos térmicos para proporcionar al LPE -a priori-, diferentes propiedades químicas, mineralógicas y/o morfológicas. Se consideraron cuatro temperaturas y dos tiempos de residencia en la mufla, obteniéndose de esta manera ocho lodos de papel estucado activados: LPEA1 (600 ºC - 2 h), LPEA2 (600 ºC - 5 h), LPEA3 (650 ºC - 2 h), LPEA4 (650 ºC - 5 h), LPEA5 (700 ºC - 2 h),LPEA6 (700 ºC - 5 h), LPEA7 (750 ºC - 2 h) y LPEA8 (750 ºC - 5 h). Para seleccionar la condición más óptima para el objetivo marcado en esta tesis, se realizó una caracterización completa a los distintos LPEA mediante FRX, DRX, SEMEDX, TG/ATD, espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), determinación de cal libre, parámetros colorimétricos, superficie específica BET, distribución de tamaño de partícula y, en algunos casos espectroscopia de resonancia magnética nuclear girada en el ángulo mágico (RMN-MAS), verificando al mismo tiempo si los LPEA cumplían con las exigencias de la normativa vigente correspondiente a las adiciones puzolánicas. Los resultados obtenidos demostraron que, a medida que se intensifican energéticamente las condiciones de activación aplicadas al LPE, se eleva el contenido en cal libre, portlandita y silicatos bicálcicos, a expensas de las principales fases inicialmente presentes en el LPE (calcita y caolinita). Basándose en razones técnicas (presencia de fibras de celulosa y contenido en cal libre), medioambientales (menor emisión de CO2), energéticas y económicas (consumo inferior de combustibles) se consideró que la condición de activación a escala de laboratorio óptima, es la que contempla un tratamiento térmico a 650 ºC durante un tiempo de residencia en la mufla de 2 horas (LPEA3). En tercer lugar, se procedió a evaluar el carácter puzolánico o hidráulico de los LPEA mediante un método normalizado como es el ensayo de puzolanicidad, o mediante procedimientos experimentales como el método acelerado de Disolución Saturada de Cal (DSC) o la evaluación del desarrollo de resistencias mécanicas de los sistemas LPEA/H2O y LPEA/Ca(OH)2. La identificación, cuantificación y análisis morfológico de las fases hidratadas generadas en dichos ensayos (geles C-S-H, carboaluminatos, estructuras tipo hidrotalcita, y trazas de stratlingita) fueron llevados a cabo mediante algunas de las técnicas instrumentales mencionadas anteriormente, DRX, SEM-EDX, TG/ATD, FTIR y RMN-MAS. Al objeto de esclarecer los mecanismos de la reacción puzolánica de los LPEA, se dedujo un nuevo modelo cinético-difusivo para el sistema LPEA/DSC. Los resultados obtenidos demostraron que todas las condiciones de activación estudiadas proporcionaban una elevada reactividad al LPE, siendo ésta más acusada cuanto mayor era la temperatura y tiempo empleados en la activación del LPE. En cuarto lugar, se evaluaron las propiedades físico-mecánicas (agua de consistencia normal, tiempos de fraguado, escurrimiento, estabilidad de volumen y resistencias a flexotracción y compresión) de 16 nuevos cementos Pórtland obtenidos a partir de la substitución parcial de un cemento Pórtland CEM I 42.5, por cada tipo de LPEA en dos porcentajes, 10 y 20 %. Los resultados obtenidos demostraron que la incorporación del LPEA en la matriz cementante, aumenta el agua de consistencia normal, disminuye el escurrimiento y los tiempos de principio y final de fraguado. Este efecto es más pronunciado cuando se incrementa tanto el porcentaje de substitución como las condiciones de activación del LPE (temperatura o tiempo de residencia). En cuanto a las resistencias mecánicas, se observa que el LPEA acelera las reacciones de hidratación de la pasta cementante. Sin embargo, las menores resistencias obtenidas a largo plazo con respecto al cemento Pórtland de referencia (CP, en adelante), muestran que el efecto puzolánico del LPEA no logra compensar completamente el efecto de dilución, como consecuencia de la substitución realizada. Este fenómeno es debido al escaso contenido de metacaolinita, la elevada composición en calcita y la considerable cantidad de cal libre aportados por algunos LPEA. En cuanto a la normativa vigente, los 16 nuevos cementos satisfacen todas las especificaciones para un cemento de clase resistente 42.5, a excepción de las mezclas CP-20% LPEA5 a 8 que incumplen los requisitos de resistencia a compresión de morteros curados durante 28 días y tiempo de principio de fraguado. Así mismo, las mejores prestaciones físico-mecánicas de las mezclas con LPEA3 en comparación con el resto de LPEA, revalidaron empíricamente esta condición de activación como la más idónea. En quinto lugar, se realizaron estudios acelerados comparativos de durabilidad de pastas de cemento con 3 tipos de LPEA (LPEA1, 3 y 8) frente a diferentes medios agresivos (sulfatos, agua de mar y cloruros). Se comprobó que la incorporación de estos LPEA provoca una disminución drástica de propiedades químico-resistentes de un cemento Pórtland frente a los iones sulfatos, por lo que se desaconseja su uso en terrenos sulfatados o en medios marinos. Sin embargo, la substitución del 20% de cemento por el LPEA1 ó LPEA3, mejora las prestaciones químico-resistentes del cemento original, cuando éste es expuesto a una fuente externa de iones cloruros. En último lugar, la evaluación de la viabilidad de la aplicación industrial de la valorización del LPE como adición puzolánica, contempló los diferentes factores que implica la substitución parcial del clínker por LPEA3, concluyendo que la valorización del LPE es viable desde los puntos de vista demográfico, económico, ingenieril y medioambiental, y más beneficiosa que el proceso convencional de fabricación de cemento.