VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia 2002 721-727 ESTUDIO SOBRE LA APLICABILIDAD DE MATERIALES VOLCANICOS DE CARACTER ACIDO PROCEDENTES DE EL SALVADOR COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN L. E. G. Cambronero, O. Alique, A. J. Moraño Rodríguez, J. M. Ruiz - Roman. Departamento de Ingeniería de Materiales. ETSI Minas, Rios Rosas 21, 28003 Madrid RESUMEN La viabilidad de emplear materiales de carácter puzolánico como materiales para la construcción, en particular como adición en morteros de cemento, es el objeto de presente estudio. Así materiales volcánicos de carácter ácido procedente de la Republica de El Salvador son analizados siguiendo la normativa española. Con el uso de tales materiales se busca obtener una aplicación viable económica y técnica de un material que debido a sus características geotécnicas no soporta edificaciones en áreas de elevada actividad sísmica y humedad ambiental. Para determinar la aplicabilidad de tales materiales, se determinaron propiedades como la humedad, densidad, superficie especifica y reactividad, tanto en estado natural, es decir meteorizada, como después de su molienda. Los resultados muestran que estos materiales cumplen los criterios de puzolanicidad de la norma UNE-EN 196-5, aunque los valores de resistencia a compresión de morteros de cemento con una sustitución de un 25% del cemento por este material volcánico no permite alcanzar los valores del cemento de referencia (53,17N/mm 2 a 28 días). No obstante para los morteros de cemento con este 25% de material volcánico, se alcanzaron resistencias a 28 días de 29,56 N/mm 2 si se emplea el material meteorizado, y de 35,11 N/mm 2 si se emplea el material molido. Palabras claves Adobes, cementos, roca volcánica, propiedades mecánicas 1. INTRODUCCIÓN La situación geográfica de la República de El Salvador hace que esté expuesto a terremotos de alta intensidad como los ocurridos en Enero de 2000. Como consecuencia de los mismos las infraestructuras del país se ven afectadas, además de sus recursos hidrológicos, forestales, agrícolas, etc. Sin duda uno de los factores que contribuyen a una mayor gravedad de la situación tras un terremoto es la baja calidad de la construcción rural, realizada fundamentalmente en adobe. La mejora de este material resulta de gran importancia dada la frecuencia con que los fenómenos sísmicos afectan a este país, alcanzadose ya para adobes mejorados resistencias a compresión inferiores a los 6 MPa [1]. Desde el punto de vista de los materiales empleados, el bajo coste del adobe y su facilidad de obtención reduce considerablemente las posibilidades de su sustitución por otros materiales más resistentes. Entre estos materiales se encuentra el hormigón realizado a base de cemento y áridos. El alto coste del cemento, en este país, es el mayor impedimento para que se produzca una sustitución del adobe por el hormigón. Una vía para el uso del cemento es su dilución con materiales autóctonos de carácter puzolánico [2,3], es decir, que mezclados con el cemento y en presencia de agua reaccionen endureciendo al fraguar. Estos materiales han de ser de bajo coste, al igual que sucede con las cenizas volantes o escorias que se adicionan al cemento o al hormigón[4,5,6] para que reduzcan el precio del producto final. 721
Cambronero, Alique, Moraño y Ruiz-Román. En la República de El Salvador se dan este tipo de materiales, de carácter volcánico, que además han de ser retirados para realizar construcciones, dado que su elevada plasticidad impide realizar construcciones seguras sobre ellos. Estos materiales también se aplican en la fabricación nacional de cementos en dicho país, cuyas características mecánicas se encuentran en la figura 1. 40 N/mm 2 30 35,7 1 33,7 1 20 0 % Contenido en adiciones puzolanicas Figura 1. Resistencia a compresión a los 28 días para distintos contenidos de puzolana en el cemento fabricado en la Republica de El Salvador. El presente trabajo analiza si las tierras de origen volcánico conocidas como tierras blancas procedentes de la República de El Salvador poseen carácter puzolánico para su adición al cemento y plantear la sustitución del adobe como material de construcción. Para ello se llevará a cabo una caracterización física y química de las tierras blancas (materiales volcánicos), de un cemento de referencia, así como del clínker con el que se fabrica este cemento según la normativa española y europea [7-18]. Finalmente se procedió a la caracterización mecánica de la mezcla de cemento con un 25 % de roca volcánica de acuerdo con norma UNE 80-303:1996 [19] para cementos resistentes a los sulfatos y/o agua de mar. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1 Caracterización del material volcánico La caracterización que se realizó en el material volcánico recibido, procedente de la región situada al norte de los ríos Lempa y Torola, consistió en la determinación de su humedad UNE 80-220:1985 [11], granulometría (Figura 2, izquierda), densidad UNE 80-4:1986 [13] y superficie específica UNE 80-122:1991 [14]. Estas tres ultimas se realizaron tras efectuar un lavado y secado del material. 19 % Figura 2. Aspecto de las tierras blancas secadas y clasificadas granulometricamente (izquierda), y fracción gruesa seleccionada para su molienda (derecha) 722
VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos Mediante molienda en un molino de anillos se realizo la reducción en el tamaño de la fracción de gruesos (Figura 2, derecha) separada previamente por tamizado hasta obtener una de menos de 125 µm para su posterior mezcla con el cemento. Las propiedades determinadas en este material molido coinciden con las del material recibido. También se realizó la microscopía electrónica de la roca volcánica, tanto de la fracción de menor tamaño de partícula del material volcánico en estado de suministro, como de la fracción obtenida por molienda. Figura 3. Equipo semiautomático de valoración 2.2 Caracterización del clínker de referencia. Se realizó la caracterización química del clínker de referencia siguiendo la norma UNE- EN 196-2:1994 [15], empleándose entre otros equipos, un equipo de valoración semiautomático consistente en dos tritadores automáticos, un fotómetro (Figura 3) y un ordenador personal. Esta caracterización química del clínker permite conocer el residuo insoluble en HCl y Na 2 CO 3, a partir de cuyo resultado se llevará a cabo la determinación de los componentes principales por la vía de la disolución por el método del peróxido de sodio o por el método del ácido clorhídrico y cloruro de amonio, y la determinación de los elementos mayoritarios del clínker que son SiO 2, CaO, MgO, Al 2 O 3. 2.3 Preparación y caracterización de morteros de cemento con adición de material volcánico. Se realizaron dos mezclas del material volcánico con el cemento de referencia para posteriormente caracterizarlas tanto mecánicamente como en cuanto a su puzolanicidad. Las mezclas cemento de referencia - roca volcánica fueron realizadas al 25 % en peso para la posterior aplicación de la norma UNE 80 303 [19], con un tamaño inferior a las 125 µm (para adaptarse a la norma EN 196-5 [8]) tanto en la roca volcánica en estado de suministro como una vez molida hasta dicho tamaño para determinar la influencia de la meteorización sufrida por la roca volcánica sobre su reactividad y por la tanto en su puzolanicidad. La homogeneización de estas mezclas cemento-roca volcánica se realizó manualmente [19]. El carácter puzolánico o no de estas mezclas se estudió mediante la aplicación de la norma UNE-EN 196-5:1998 [8]. Respecto a la resistencia mecánica, señalada como especificación para aquellos materiales puzolánicos con los que se fabrican los cementos de tipo SR/MR (UNE 80 303 [19]), se estudió tanto en las mezclas cemento y roca volcánica 723
Cambronero, Alique, Moraño y Ruiz-Román. como en el cemento de referencia, preparándose para ello las probetas de mortero de cemento [12] y su ensayo a flexión en tres puntos y posterior compresión. 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Caracterización del material volcánico. Los resultados para la roca volcánica en estado de suministro se recogen en la tabla 1, observándose que poseen una elevada humedad (15.39%) así como un aumento de la densidad conforme se disminuye el tamaño de partícula. Su composición química (Figura 4) muestra la presencia fundamentalmente de Fe, Ca, Al y Si entre sus óxidos. Figura 4. Aspecto de la roca volcánica mediante microscopia electrónica de barrido y Análisis por XRD. Tabla 1: Propiedades físicas y Granulometría del material volcánico Luz de malla % Retenido (mm) acumulado Humedad: 15,39% 32 0,00 2,14 g/cm 3 (>4mm) 2 30,96 Densidad media: 2,40 g/cm 3 (1-4mm) 1 44,76 2,51 g/cm 3 (0,125-1mm) 0,5 62,38 2,56 g/cm 3 (<0,125mm) 0,250 79,38 Superficie específica roca volcánica < 0,125mm: 3377 cm 2 /g 0,125 90,36 0,063 95,53 Pasante 0,00 Para la roca volcánica triturada por debajo de los 0,152 mm, la densidad alcanzada es de 2,59 g/cm 3 y su superficie especifica de 5374 cm 2 /g. Ambos valores son superiores a los obtenidos con la roca volcánica en estado de recepción (Tabla 1), posiblemente por su elevada porosidad interna y la forma angulosa que produce la trituración del material. 724
VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos 3.2 Caracterización del cemento de referencia. La densidad media obtenida fue 3,26 g/cm 3, con una superficie específica media de 3577 cm 2 /g. El clinker empleado en la obtención del cemento de referencia presenta un residuo insoluble en HCl y Na 2 CO 3 del 0,37 %, siendo su composición potencial : C 3 S: 54,21 %, C 2 S: 20,65 %, C 3 A: 5,80 % y C 4 AF: 12,56 %. Respecto del cemento, sus características químicas se encuentran en la tabla 2, junto con la composición calculada del cemento a partir de los mismos. Se trata de un cemento con un 98,7 % de clínker y un 1,3 % de componentes adicionales. Con estos valores, se cumplen las especificaciones de la norma UNE EN 197-1:2000 [7] para los cementos del tipo CEM I. 3.3 Propiedades de las mezclas de cemento y roca volcánica. Para las mezclas de cemento y 25% roca volcánica de tamaño menor de 0,125 mm, no se alcanzó la concentración en iones hidroxilo requerida a los 8 días, pero si a los 15 días, por lo que cabe clasificar a la roca volcánica como un material puzolánico según UNE EN 196-5 [8]. Por el contrario si se alcanzo la concentración de iones hidroxilo a los 8 días en la mezcla cemento y el 25% de roca volcánica molida a tamaño menor de 0,125 mm a los 8 días, por lo que la trituración mejora la reactividad de la roca volcánica. Tabla 2: Caracterización química y composición del cemento de referencia (%) Con R.F (1) Sin R.F.(2) Humedad 0,06 Regulador de fraguado (R) 4,29% --- Pérdida por calcinación 0,78 Fíller calizo (D) 0,79% 0,88% Residuo insoluble en HCl y Na 2 CO 3 2,09 Puzolana y cenizas volantes (P + S) 0,13% 0,14% Sulfatos 2,37 Clínker (C) 94,66% 98,72% Cloruros 0,01 Escoria (L) 0,12% 0,31% Dióxido de carbono 0,35 TOTAL 0% 0% Residuo insoluble en HCl diluido 1,34 Residuo insoluble en EDTA 1,51 (1)CON REGULADOR DE FRAGUADO (2) SIN REGULADOR DE FRAGUADO Las propiedades mecánicas obtenidas también confirman un mejor comportamiento mecánico cuando la roca volcánica es triturada antes de ser mezclada con le cemento. Los resultados a flexión y compresión se recogen en la figura 5. Estos valores de resistencias mecánicas obtenidos para las mezclas de cementos con material volcánico demuestran que se disminuye la resistencia del cemento. No obstante estos valores indican que se alcanzan una adecuada homogeneidad de la mezcla y los resultados son aceptables para el objetivo perseguido de obtener un material de construcción con una adecuada resistencia. Comparando la figura 1 y la figura 5 se puede observar que a pesar de que la adición de puzolana realizadas para el presente proyecto es mayor que las adiciones realizadas en República de El Salvador, los valores de resistencia son similares, incluso en ocasiones superiores. 725
Cambronero, Alique, Moraño y Ruiz-Román. Resistencia a Flexion, MPa 12 Resistencia a Compresion, MPa 9,75 9,88 9,81 60 53,2 53,76 54 53,7 53,7 53,7 8 6 6,8 6,69 6,8 7,9 7,85 7,85 50 40 30 30 29,5 29,49 28,76 29,14 30,41 35,3 34,73 34,9 35,26 35,16 35,3 4 20 2 0 Cemento de referencia volcanica volcanica triturada 0 Cemento de referencia volcanica volcanica triturada Figura 5: Resistencias a flexión y compresión del cemento de referencia y las mezclas cemento-25% de roca volcanica También se observan menores resistencias cuando la mezcla se obtiene con el material suministrado que con aquel obtenido por la trituración, en ambos casos de roca volcánica molida a un tamaño menor de 0,125 mm, probablemente por la menor reactividad de los primeros debido a su mayor meteorización, y por las caras nuevas de fracturas creadas en la molienda efectuada a los materiales gruesos en estado de suministro. 4 CONCLUSIONES Como conclusión principal, se ha obtenido que la roca volcanica objeto de este trabajo es un material adecuado desde un punto de vista como adición puzolánica a un cemento, evidentemente eliminando la cubierta superficial de material meteorizado y que ha perdido su actividad puzolánica. La recomendación final, dado que se pretende utilizar como material de construcción de baja características mecánicas, sería la de incorporar el material volcánico, previa eliminación de los tamaños menores mediante un cribado, y una vez molido, al cemento en una cantidad superior a la de este estudio. De esta manera se obtendría un cemento más barato y con unas propiedades resistentes aceptables en relación con el material a sustituir, que es el adobe. En cuanto a la posibilidad de adición de estos materiales volcánicos a cementos del tipo SR/MR (resistentes a sulfatos y/o agua de mar), no cumplen el requisito especificado en la norma UNE-80-303:1996 [19] que señala que la resistencia mecánica de la mezcla con 25 % de puzolana ha de ser al menos el 80 % de la resistencia del cemento de referencia. Como medio para abaratar los materiales de construcción en zonas sísmicas como la República de El Salvador, pero que a su vez dan suficiente resistencia frente a los sismos, también es un material adecuado ya que este material es de uso habitual en adobes, lo único necesario para mejorar sus características es activarlas, ya que de por sí estos materiales no son hidraulicos. Para ello se muelen y se mezclan con cemento ya que la portlandita producida en la hidratación del cemento activa los materiales puzolánicos como el de objeto de este proyecto, como puede verse en los valores de resistencias a compresión. En definitiva obteniéndose un adobe mejorado. Esta activación se podría realizar con otros materiales, pero no ha sido contemplados en este estudio. 5 AGRADECIMIENTOS Al LOEMCO por ceder los equipos e sus instalaciones empleados en este proyecto, y por la beca a uno de los autores, D. Oscar Alique. Así mismo nuestro agradecimiento a D. Cañas Lazo (Univ. Politécnica de El salvador) por el suministro de la roca volcánica. 726
VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos 6 REFERENCIAS 1. J. Pineda et al. Caracterización de arcillas y mejora de propiedades de adobes con aditivos de agentes quimicos para utilizarse en la industria de la construcción Adobes mejorados. Pendiente de publicación en Materiales de Construcción. 2. Herrero, Eduardo. Cementos con adiciones, fabricación y aplicaciones. Construcción, nº 31. 1988. Págs. 88 89. 3. Calleja, José. las puzolanas. 1958. 4. Ivassor, E. F. Resistencia a los sulfatos del cemento portland normal con cenizas volantes. Materiales de Construcción, nº 39. 1989. Págs. 11 20. 5. Lizarraga, Serafín. Estudio sobre el comportamiento de los cementos con cenizas frente a sulfatos. Cemento - Hormigón, nº 771. Mayo 1997. 6. Maage, Magne. Fly ash, silica fume, slag and natural puzzolans in concrete. Proccedings second international conference A. C. I., volume 2. 1986. 7. UNE-EN 197-1:2000 Composición, especificaciones y criterios de conformidad de los cementos comunes. 8. UNE-EN 196-5;1998 Métodos de ensayos de cementos. Ensayo de puzolanicidad para cementos puzolánicos. 9. UNE 80-304:1986 Cementos. Cálculo de la composición potencial del clínker portland.. UNE 80-302:1991 Cementos. Especificaciones químicas para sus componentes. 11. UNE 80-220:1985 Métodos de ensayo de cementos. Análisis químico. Determinación de la humedad. 12. UNE-EN 196-1:1994 Métodos de ensayos de cementos. Determinación de resistencias mecánicas. 13. UNE 80-4:1986 Métodos de ensayo de cementos. Ensayos físicos. Determinación de la densidad real mediante el picnómetro de aire. 14. UNE 80-122:1991 Métodos de ensayo de cementos. Determinación de la finura. 15. UNE-EN 196-2:1994 Métodos de ensayo de cementos. Análisis químico de cementos. 16. UNE 80-265:1980 Métodos de ensayo de cementos. Análisis químico: Determinación de los compuestos en los cementos de más de tres componentes. Método de la disolución selectiva. 17. UNE 80-217:1991 Métodos de ensayo de cementos. Determinación del contenido de cloruros, dióxido de carbono y alcalinos en los cementos. 18. UNE 80-216:1991 Métodos de ensayo de cementos. Determinación cuantitativa de los componentes. 19. UNE 80-303:1996 Cementos resistentes a los sulfatos y/o al agua de mar. 727