Introducción
⌅El
uso de materiales cementantes suplementarios (MCS) ha crecido en las
últimas décadas debido a la necesidad de incrementar la producción de
aglomerantes y a la preocupación por el impacto ambiental de la
producción de clínquer (Söyek Abay y Tanaçan 2023Söyek
Abay, B. & Tanaçan, L. 2023. 2nd International Conference on
Innovative Academic A review on Limestone Calcined Clay Cement ( LC 3 )
as an alternative ecological binder. S.l.: s.n.
; Jhatial, Nováková y Gjerløw 2023Jhatial,
A.A., Nováková, I. & Gjerlow, E. 2023. A Review on Emerging
Cementitious Materials, Reactivity Evaluation and Treatment Methods. Buildings, vol. 13, DOI https://doi.org/10.3390/buildings13020526.
; Abdelaziz et al. 2023Abdelaziz,
G.E., Shoukry, H, Selim, A.A. & Saif, M.S. 2023. Recent Progress in
Limestone-Calcined Clay Cement ( LC3 ): A Review. Materials Science Forum, vol. 1089:165-174, DOI 10.4028/p-74p7so.
).
Pasar de cementos ricos en OPC a pobres en OPC es un camino
irreversible que la industria del cemento está siguiendo y se compromete
a seguir adelante (Flatt et al., 2023Flatt,
R.J., Roussel, N., Bessaies Bey, H.,Caneda Martínez, L., Palacios, M.
& Zunino, F., 2023. Cement and Concrete Research From physics to
chemistry of fresh blended cements. Cement and Concrete Research [en línea], vol. 172, no. May, pp. 107243. ISSN: 0008-8846, DOI 10.1016/j.cemconres.2023.107243. Disponible en: <https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2023.107243>, [Consultado: marzo 20, 2024].
).
Ante
la escasez de MCS clásicos (escorias y cenizas volantes), el material
que puede aumentar radicalmente el nivel de sustitución del clínquer y,
por tanto, conducir a importantes reducciones de las emisiones de CO2 es la arcilla calcinada (Scrivener et al., 2023Scrivener,
K., Ben Haha, M., Juilland, P. & Levy, C. 2023. Research needs for
cementitious building materials with focus on Europe. RILEM Technical Letters [en línea], vol. 7: 220‐252. Disponible en: <https://doi.org/10.21809/rilemtechlett.2022.165>,[Consultado: abril 5, 2024].
).
Las arcillas son únicas entre los sustitutos del cemento debido a su disponibilidad mundial (Söyek Abay y Tanaçan 2023Söyek
Abay, B. & Tanaçan, L. 2023. 2nd International Conference on
Innovative Academic A review on Limestone Calcined Clay Cement ( LC 3 )
as an alternative ecological binder. S.l.: s.n.
) y aparecen frecuentemente como desechos de operaciones mineras (Ben Haha et al. 2023Ben
Haha, M., Termkhajornkit, P., Ouzia, A., Uppalapati, S. & Huet, B.,
2023. Cement and Concrete Research Low clinker systems - Towards a
rational use of SCMs for optimal performance. Cement and Concrete Research, vol. 174 ( No. March):107312. ISSN: 0008-8846. DOI 10.1016/j.cemconres.2023.107312. Disponible en: <https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2023.107312>, [Consultado: marzo 20, 2024].
).
En
los últimos años ha cobrado un gran interés el estudio de los residuos
arcillosos para su uso como materiales cementicios suplementarios (Yanguatin et al., 2019Yanguatin,
H., Ramírez, J.H., Tironi, A. & Tobón, J.I. 2019. Effect of thermal
treatment on pozzolanic activity of excavated waste clays. Construction and Building Materials [en línea], Vol. 211: 814-823, ISSN: 0950-0618. DOI 10.1016/j.conbuildmat.2019.03.300. Disponible en: <https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.03.300>, [Consultado: abril 5, 2024].
; Papakosta et al., 2020Papakosta,
A., Kanavaris, F., Pantelidou, H. & Burr Hersey, T. 2020.
Re-purposed Excavated Arisings Loop Transformation of London Clay into
construction resources : Supplementary cementitious material and
lightweight aggregate REAL Stage 1a : London Clay material
characterisation. S.l.
; Maier et al., 2020Maier,
M., Forster, B., Beuntner, N. & Thienel, K.C. 2020. Potential of a
calcined recycling kaolin from silica sand processing as supplementary
cementitious material. En: S. Bishnoi (ed.), Calcined Clays for Sustainable Concrete. Singapore: Springer, 75-83p.
; Arruda Junior, de Sales Braga y Santos Barata, 2023Arruda
Junior, E.S., de Sales Braga, N.T. & Santos Barata, M. 2023. Life
cycle assessment to produce LC3 cements with kaolinitic waste from the
Amazon region, Brazil. Case Studies in Construction Materials: 0-15, DOI 10.1016/j.cscm.2022.e01729.
; Sgarlata et al. 2022Sgarlata,
C., Formia, A., Siligardi, C., Ferrari, F. & Leonelli, C. 2022.
Mine clay washing residues as a source for alkali-activated binders. Materials, vol. 15 (No.1): 1-14, ISSN: 19961944, DOI 10.3390/ma15010083.
), reduciendo la generación de residuos y conservando los materiales naturales (Alujas Diaz et al., 2022Alujas
Diaz, A., Almenares Reyes, R.S., Hanein, T., Irassar, E.F., Juenger,
M., Kanavaris, F., Maier, M., Marsh, A.T.M., Sui, T., Thienel, K.-C.,
Valentini, L., Wang, B., Zunino, F. & Snellings, R. 2022. Properties
and occurrence of clay resources for use as supplementary cementitious
materials : a paper of RILEM TC 282-CCL. Materials and Structures, vol. 2. ISSN 1871-6873. DOI 10.1617/s11527-022-01972-2. Disponible en: <https://doi.org/10.1617/s11527-022-01972-2>, [Consultado: marzo 20, 2024].
).
En
Cuba la activación térmica de arcillas como materiales cementicios
suplementarios ha revolucionado la industria de los materiales de la
construcción, con un plan de gobierno estructurado para empezar
producciones industriales (Fernández Pérez, 2019Fernández Pérez, J. 2019. Producción de cemento LC3 en Cuba : El camino de la autarquía. Cubadebate. 24 mayo 2019. pp. 6.
; Redacción Digital, 2019Redacción Digital, 2019. Cuba abrirá primera fábrica de cemento lc3 del mundo. Granma [en línea]. 24 mayo 2019. pp. 4. Disponible en: <http://www.granma.cu/cuba/2019-05-24/cuba-abrira-primera-fabrica-de-cemento-lc3-del-mundo-24-05-2019-10-05-58>, [Consultado: mayo 27, 2019].
).
La
provincia de Las Tunas ha sido líder en el empleo de arcillas
calcinadas para satisfacer la elevada demanda de materiales existente en
este territorio (Labrador Herrera 2018Labrador Herrera, L.M. 2018. Utilizan en Las Tunas cemento de bajo carbono. Granma. 14 marzo 2018. pp. 3.
).
Esto ha puesto de relieve la existencia en Dumañuecos de grandes
volúmenes de arcillas caoliníticas acumuladas en escombreras con buenas
perspectivas para el desarrollo de puzolanas (Espinosa Borges et al., 2019Espinosa
Borges, A.E., Pérez García, L.A., Leyva Rodríguez, C.A., Almenares
Reyes, R.S. & Alujas Díaz, A. 2019. Evaluación de las arcillas
caoliníticas de las escombreras del yacimiento Dumañuecos para la
producción de cemento de bajo carbono. S.l.: Universidad de Moa Dr.
"Antonio Núñez Jiménez."
).
Con anterioridad se
han estudiado los residuos de caolín del yacimiento Dumañuecos con
buenas perspectivas para su empleo como puzolanas (Espinosa Borges et al., 2019Espinosa
Borges, A.E., Pérez García, L.A., Leyva Rodríguez, C.A., Almenares
Reyes, R.S. & Alujas Díaz, A. 2019. Evaluación de las arcillas
caoliníticas de las escombreras del yacimiento Dumañuecos para la
producción de cemento de bajo carbono. S.l.: Universidad de Moa Dr.
"Antonio Núñez Jiménez."
), pero sus volúmenes son
limitados, sin embargo durante la explotación se generaron residuos
arcillosos rojos con mayores volúmenes concentrados en escombreras pero
carecen de estudio, por lo que se hace necesario una evaluación de sus
potencialidades como base para el desarrollo de materiales cementicios
suplementarios
Materiales y métodos
⌅Características geoquímicas
⌅La muestra se descompuso mediante la fusión con un fundente (bórax, metaborato de litio o mezcla de metaborato de litio con tetraborato de litio 1:1). El fundido se lixivió con ácido clorhídrico al 15 % y gotas de peróxido de hidrógeno al 30 % y se llevó a un volumen final de 250 mL. La medición se realizó en un Espectrómetro Absorción Atómica empleando soluciones de calibración con simulación de las matrices y una correcta dilución de la muestra.
Características mineralógicas
⌅Las mediciones se realizaron mediante Difracción de Rayos X (DRX) con un Difractómetro X’Pert³ Powder de Panalytical utilizando radiación CuKα y rejilla de divergencia de 0,5 °. Las muestras se analizaron entre 5 y 80 ° (2θ), con paso angular desde 0,008 °, tiempo por paso de 30 segundos, y sin filtro de níquel Ni. Los difractogramas se procesaron con el software X Pert HighScore Plus (2011). Se aplicó la rutina de refinamiento por Rietveld para desarrollar el análisis semicuantitativo de las fases presentes en las muestras.
Metodología de evaluación preliminar de materiales arcillosos
⌅Procedimiento modificado que se presenta en la Figura 1 el cual permite un aprovechamiento de todo el potencial del material para otras aplicaciones.
)
Resultados y discusión
⌅Características geoquímicas
⌅El
análisis de los resultados geoquímicos permitió establecer que en los
residuos arcillosos rojos del yacimiento Dumañuecos predomina la SiO2 en su composición (Tabla 3), esto está estrechamente relacionado con la composición primaria de las rocas madres (Escobar Loret de Mola, 2018Escobar
Loret de Mola, E. 2018. "Características comunes de la
mineralizaciónaurífera en las provincias de Ciego de Ávila, Camaguey y
Las Tunas". Revista Cubana de Geociencias, No. 2310-0060: 3-28.
; Espinosa-Borges et al., 2022Espinosa
Borges, A.E., Pérez García, L.A., Leyva Rodríguez, C.A., Cruz Ramírez,
Y., Cobas Torres, R.Y., Torres la Rosa, M. & Aguirre Guillot, G.
2022. "Análisis petrográfico y mineragráfico de las rocas del yacimiento
de arcillas caoliníticas Dumañuecos". Minería y Geología, vol. 38 (No. 1993 8012): 53-69.
) a partir de las que se formaron estas arcillas. El contenido de Al2O3 es alto, explicado por la abundancia de fases arcillosas y la presencia
de micas. Sobresale la presencia de elevadas concentraciones de Fe2O3,
esto puede generar problemas de pigmentación a los productos generados
con estas arcillas por las propiedades cromóforas del Fe2O3.
Según los criterios límites establecidos estas arcillas cumplen con la relación Al2O3/SiO2 con un 0,3 % y con bajos contenidos en CaO por debajo de 3 %. Los contenidos de Al2O3 quedan por debajo del límite establecido. Por los contenidos 2 los residuos arcillosos rojos de Dumañuecos (DM) se pueden considerar como aditivos minerales de tipo N o F con más de un 70%.
| CÓDIGO | Fe2O3 | MgO | CaO | Al2O3 | SiO2 | Al2O3/SiO2 | Al2O3+SiO2+ Fe2O3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DM | 15,26 | 1,52 | 1,0 | 15,29 | 49,93 | 0,3 | 80,48 |
| Almenares Reyes,2017Almenares
Reyes, R.S. 2017. Potencialidades de arcillas caoliníticas cubanas para
la obtención de materiales cementicios suplementarios. Santa Clara,
Cuba: Universidad Central "Marta Abreu de las Villas". |
_ | _ | <3,0 | >18,0 | _ | >0,3 | _ |
| NC TS528Oficina Nacional de Normalización. 2013. NC TS 528. Cemento hidráulico - Puzolanas- Especificaciones. La Habana, Cuba. |
- | - | - | - | - | - | 70 |
Según las concentraciones de CaO-SiO2-Al2O3 en función del diagrama triangular (Figura 1) para la clasificación química de los materiales cementicios suplementarios se constató que los residuos arcillosos rojos de Dumañuecos presentan una
composición semejante a las puzolanas naturales, lo que está en
consonancia con la norma cubana TS 528: 2013Oficina Nacional de Normalización. 2013. NC TS 528. Cemento hidráulico - Puzolanas- Especificaciones. La Habana, Cuba.
donde los aditivos minerales tipo N corresponden a puzolanas naturales.
Características mineralógicas
⌅Mediante los análisis de DRX se determinaron las fases minerales presentes en los residuos arcillosos rojos del yacimiento Dumañuecos. Sobresale la presencia de fases minerales del grupo caolinita, con reflejos fuertes entre los 7,11 y 7,19 angstroms, se determinaron picos específicos para caolinita a los 4,13 y 3,58 angstroms y 4,36 y 4,13 para la nacrita (Figura 3).
El análisis semicuantitativo arrojó que estos residuos están constituidos por más de un 60 % de minerales del grupo de la caolinita, lo cual está en correspondencia con los valores de caolín equivalente determino mediante pérdidas por ignición. También se detecta cuarzo, en contenidos que están en correspondencia con la génesis del depósito. En menor medida se registró la presencia de moscovita, que también se detectan en este tipo de ambiente de formación.
Los óxidos de hierros se
encuentran en más de un 7% representados principalmente por goethita que
se forma por la oxidación de los minerales de hierro como producto de
la meteorización típica en lateritas y en filones como sombreros de
hierro y en menor medida hematita de meteorización de rocas con hierro,
la presencia de estos es la responsable de la coloración rojiza de este
material (Velde 1995Velde, B. 1995. Origin and mineralogy of clays. Clays and the environment. S.l.: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-642-08195-8.
).
Además, se reportó la presencia de diásporo que es un mineral típico en
las alteraciones hidrotermales de tipo ácida subsaturado en sílice (Velde 1995Velde, B. 1995. Origin and mineralogy of clays. Clays and the environment. S.l.: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-642-08195-8.
).
Los minerales identificados se agrupan por clases, teniendo en cuenta su efecto potencial en el rendimiento final de las arcillas calcinadas como MCS, se identificó el predominio de minerales arcillosos del grupo de la caolinita en más de un 60 % los que presentan un gran potencial para el desarrollo de puzolanas. Seguidamente aparecen otros silicatos relacionados a los minerales formadores de rocas representados principalmente por el cuarzo minerales formadores de rocas que son estables y que no intervienen primariamente en la reacción puzolánica. Por último, sobresalen los óxidos de Fe y Al en este caso que son térmicamente inestables y han sido los responsables de la coloración rojiza de estas arcillas.
Potencialidades de los depósitos arcillosos como fuente de MCS
⌅Según
la clasificación para la evaluación de las potencialidades de los
depósitos arcillosos como fuente de materiales cementicios
suplementarios desarrollada por Almenares y colaboradores (Almenares-Reyes 2017Almenares
Reyes, R.S. 2017. Potencialidades de arcillas caoliníticas cubanas para
la obtención de materiales cementicios suplementarios. Santa Clara,
Cuba: Universidad Central "Marta Abreu de las Villas".
; Almenares Reyes RS et al. 2021Almenares
Reyes RS, Martirena Hernández, J.F., Leyva Rodríguez, C.A., Betancourt
Rodríguez, S. & Arcial Carratalá, F. 2021. Identificación y
evaluación de arcillas caoliníticas para la producción de cemento
ternario LC3 y adiciones minerales activas LC2. Anales de la Academia de Ciencias de Cuba, vol. 11 (No. 3):1-9.
)
las arcillas se ubican en el grupo IV de la clasificación, se
pronostica que deben presentar un contenido de caolín equivalente
variable y es característico la presencia de contenidos apreciables de
minerales no arcillosos que se descomponen en el mismo intervalo de
temperatura que los minerales del grupo de la caolinita. Esto está en
consonancia con los resultados mineralógicos donde se identificó la
presencia de óxidos de hierro (goethita y hematita) y aluminio
(diásporo); además de mica moscovita que también es un mineral
térmicamente activo. Por la alta variabilidad que presentan este tipo de
arcillas se recomienda su evaluación de forma independiente (Figura 4).
Siguiendo esta recomendación se sigue la metodología propuesta por los mismos autores que desarrollaron el procedimiento (Almenares-Reyes 2017Almenares
Reyes, R.S. 2017. Potencialidades de arcillas caoliníticas cubanas para
la obtención de materiales cementicios suplementarios. Santa Clara,
Cuba: Universidad Central "Marta Abreu de las Villas".
; Almenares Reyes RS et al. 2021Almenares
Reyes RS, Martirena Hernández, J.F., Leyva Rodríguez, C.A., Betancourt
Rodríguez, S. & Arcial Carratalá, F. 2021. Identificación y
evaluación de arcillas caoliníticas para la producción de cemento
ternario LC3 y adiciones minerales activas LC2. Anales de la Academia de Ciencias de Cuba, vol. 11 (No. 3):1-9.
),
utilizando el método gráfico. Se extrapola la ubicación de la muestra
en el diagrama a partir de una línea paralela al eje de las ordenadas
hasta la línea A y la nueva posición en el gráfico ubica la muestra en
los límites de la zona II. Sobre la base de estos resultados los
residuos rojos arcillosos del yacimiento Dumañuecos pueden considerarse
con potencialidades para ser empleado como fuente de SCM. Aunque, se
considera necesario realizar una valoración adicional, sobre la base del
comportamiento de la reactividad y las prestaciones físico-mecánicas en
sistemas mezclados.
Conclusiones
⌅- La
composición química de los residuos arcillosos rojos del yacimiento
Dumañuecos cumple con los requisitos químicos de la norma cubana TS 528:
2013 (NC TS 528:2013, 2013Oficina Nacional de Normalización. 2013. NC TS 528. Cemento hidráulico - Puzolanas- Especificaciones. La Habana, Cuba.
) por lo que se pueden considerar como aditivos minerales de tipo N o F. - Los residuos arcillosos rojos del yacimiento Dumañuecos están constituidos mineralógicamente por un 60,7 % por minerales arcillosos del grupo de la caolinita representados por caolinita y nacrita; lo que les confiere un alto potencial para ser usadas como puzolanas.
- Los residuos arcillosos rojos del yacimiento Dumañuecos según la metodología de Almenares Reyes se clasifican como arcillas de tipo IV, por lo que pueden presentar variabilidad durante el proceso de activación asociada a la presencia de óxidos de Fe y Al, lo que no tiene una incidencia negativa en su reactividad puzolánicas por lo que se consideran con buenas perspectivas para ser empleado como fuente de materiales cementicios suplementarios.