Firmado digitalmente por Universidad Tecnológica de Universidad Tecnológica Querétaro Nombre de reconocimiento (DN): cn=Universidad Tecnológica de Querétaro, o=Universidad Tecnológica de Querétaro, ou, email=webmaster@uteq.edu.mx, c=MX de Querétaro Fecha: 2010.08.18 11:11:24 -05'00' UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Voluntad. Conocimiento y Servicio CARACTERIZACION DE PUZOLANAS NATURALES PARA SU USO COMO CEMENTANTE EN BLOQUES COMPACTADOS DE ARCILLA TESIS Que como parte de de los requisitos para obtener el grado de Técnico Superior Universitario en Tecnología Ambiental PRESENTA: Juan Manuel Hernández Rivera Dra. Lilia Narváez Hernández M. en C. Luz Elena Narváez Hernández ASESOR DE LA INSTITUCION SANTIAGO DE QUERÉTARO, QUERÉTARO ASESOR UTEQ AGOSTO 2010 Resumen El presente trabajo tiene como finalidad caracterizar muestras de rocas volcánicas para su uso como cementantes en bloques compactados de arcilla, tomando como base su puzolanidad, por lo que se pretende en un futuro la elaboración de de bloques compactados de arcilla como material de construcción en viviendas sustentables en el Estado de Querétaro, Qro. México. Con este propósito se tomaron cuatro muestras para ser estudias: la perlita (agrolita), la piedra pómez (pumita), el tezontle y la zeolita; para su caracterización las cuatro muestras fueron sometidas a análisis de difracción de rayos x (DRX) y microscopia electrónica de barrido (MEB) con la finalidad de conocer las fases morfológicas y los elementos químicos que componen a cada muestra, adicional a esto se realizo un análisis de sílice total y perdida por ignición. En base a los resultados de las pruebas anteriores se determino que la perlita y la piedra pómez son de acuerdo a su estructura, morfología y composición químicas las muestras más aptas para la construcción de los bloques compactados de arcilla, descartando al tezontle y a la zeolita por sus nulas propiedades como puzolanas. Palabras Clave: Rocas Volcánicas; Puzolana; Caracterización. I Summary This paper aims to characterize volcanic rock samples for use as cementitious compacted clay blocks, based on their pozzolan, as intended in the future development of compacted clay brick as a building material in homes sustainable in the state of Querétaro, Qro. México. For this purpose four samples were taken for studying: perlite, pumice, tezontle and zeolite; for characterization of the four samples were subjected to analysis of x-ray diffraction (XRD) and microscopy scanning electron (SEM) in order to ascertain the morphological phases and the chemical elements that make up each sample, this additional analysis was performed total silica and loss on ignition. Based on the results of the tests determined that the perlite and pumice are according to their structure, morphology and chemical composition the samples more suitable for the construction of compacted clay blocks, discarding the tezontle and zeolite for its null properties such as pozzolans Keywords: Volcanic Rocks; Pozzolan; characterization. II …Con mucho cariño a mi madre Adriana Rivera Suarez, que día a día me ha apoyado y se ha esforzado para que nada falte …A mi abuela y a la memoria de mi abuelo que siempre han estado detrás de mi cuidándome y apoyándome …A mis hermanos para que este humilde trabajo sirva de inspiración para su futuro III Agradecimientos Agradezco de todo corazón a la M. en C. Luz Elena Narváez Hernández, Directora de la División de Innovación y Desarrollo Tecnológico de la UTEQ, por orientarme, darme su apoyo y confianza para el desarrollo de este trabajo, pero sobre todo le doy gracias por ser mi maestra, mi guía y una amiga. A la Dra. Lilia Narváez Hernández del Instituto de Metalurgia de la UASLP, por su disposición, atención, ayuda, enseñanzas y su generosidad al recibirnos a mí y a mis compañeros en aquellas instalaciones para efectuar los análisis de difracción de rayos x y microscopia electrónica. A la I.M. Edith Zapata Campos Metrologa de la División de Materiales Cerámicos en el CENAM, por su apoyo, disposición y ayuda en los análisis de fluorescencia de rayos x. A la M. en E. Maura Olivia García Pineda que durante dos años ha sido un gran apoyo durante mi formación y que siempre ha sido una amiga y consejera. A cada uno de mis maestros que de forma desinteresada, con paciencia y sabiduría me transmitieron sus conocimientos para formarme día a día. A mi madre Adriana, quien siempre esta tras de mi dándome su amor, su cariño y su apoyo en cada paso que doy, a mi abuela Sacramento que siempre se preocupa por mi y cuida cada momento de mi vida, a mi difunto abuelo Juan que en vida siempre me dio su apoyo y con emoción veía como día a día yo crecía y maduraba y a mis hermanos Alejandro y Sergio que con sus travesuras hacen que los días sean divertidos y mas fáciles. A Raúl que me ha apoyado y ayudado durante todo este tiempo y que siempre está dispuesto a darme su mano para salir adelante. IV A (sin estricto orden) Brenda, Negie, Magdalena, Carmen, Haide, Jetzabel y todas las personas que a lo largo de mi vida han dejado huella y que me han brindado su amistad y momentos de alegría y diversión en situaciones difíciles. Agradezco la gran colaboración del Instituto de Metalurgia de la UASLP, el CENAM, el CINVESTAV y la UTEQ y a todo el personal que labora en dichas instituciones, ya que nos hicieron el préstamo de sus materiales y equipos siempre cordialmente y dispuestos a ayudarnos desinteresadamente en el desarrollo de este trabajo. Finalmente agradezco a la UTEQ que financio gran parte de mi estadía para el desarrollo de este trabajo final. V ÍNDICE: Resumen………………………………………………………………..…I Summary………………………………………………………………..…II Dedicatorias………………………………………………………………III Agradecimientos…………………………………………………………IV Indice……………………………………………………………………...VI Introduccion………………………………………………………………..1 CAPITULO 1………………………………………………………..……....4 1.0 Estado del Arte………………………………………..………………..5 1.1 Antecedentes…………………………………………………………..5 Las puzolanas………………………………………………................5 Puzolanas en la Construccion……………………….……………...6 ¿Por qué las Puzolanas?…………………………………………….6 CAPITULO 2……………………………………………………………..…7 2.0 Definicion del Proyecto……………………………………...………..8 2.1 Objetivo………………………………………………………………….8 2.2 Objetivos Especificos…………………………………………………..8 2.3 Hipotesis………………………………………..………………………..8 2.4 Justificacion…………………………………..…………………………8 CAPITULO 3…………………………………………………………………9 3.0 Marco Teorico…………………………………………………………..11 La Puzolana………………….…………………………………………11 Marco Geologico Regional...………………………………………….12 Provincia de la Mesa del Centro...……………………………………12 Provincia de la Sierra Madre Oriental…..…………………………….13 Provincia del Eje Neovolcanico………………………………………..14 Rocas Estudiadas………………………………………………………..14 Perlita…………………………………..…………………………………..15 VI Piedra Pomez…………………………………………………………….15 Tezontle…………………………………..………………………………..16 Zeolitas……………………………………………………………………17 CAPITULO 4………………………………….………………………………18 4.0 Desarrollo del Proyecto…………………...……………………………..18 4.1 Métodos de Caracterizacion de las Muestras...……………………….18 Difraccion de Rayos X (DRX)……………………………………………18 Microscopia Electronica de Barrido (MEB)………...……………………19 Silice Total y Perdida en la Ignicion………………..…………………….19 4.2 Metodologia……………………………………………...………………….20 Caracterización Fisica……………………………………..………………20 Caracterizacion por DRX………………………………………….………20 Caracterizacion por MEB………………………………………………….25 Caracterizacion por Perdida por Ignición y Sílice Total……………….30 CAPITULO 5 ……………………………………………………………………33 5.1 Conclusiones…………………………………………………………….…34 5.2 Recomendaciones…………………………………………………………..34 REFERENCIAS………………………………………………………………….35 VII Introducción Los materiales de construcción convencionales están fuera del alcance de la mayoría de la población mundial debido a su pobre asequibilidad. Además de la escalada en el costo de materiales de construcción, crecientes preocupaciones ambientales debido a la extensa explotación de los recursos naturales en relación con la construcción en general y otras actividades de desarrollo de vivienda instar a la búsqueda de alternativas tecnológicas. [3] El concepto de materiales no industrializados significa “materiales fabricados mediante procesos simples y rápidos con bajo contenido energético, usando materias primas del sitio o de las inmediaciones”. Para traducir este concepto en acción, muchas ideas se han desarrollado, incluyendo el uso del suelo como materia prima [2]. Dentro de estos materiales no industrializados podemos considerar al adobe, que ha sido utilizado como material de construcción por el hombre desde hace cientos de años, las culturas más importantes del mundo lo usaron para edificar monumentos, casas y ciudades enteras. Las ruinas de Egipto, Irán, China y Mesoamérica corroboran el uso del adobe en sus construcciones. [26] Los materiales más comúnmente usados en las edificaciones son: el tepetate, la roca caliza, andesitas, tezontle y el lodo en forma de adobe, materiales que se encontraban en los alrededores de los asentamientos, de estos, el adobe se utilizo en abundancia para conformar la estructura de los edificios supliendo al tepetate o complementándolo, aprovechando su maleabilidad y su facilidad para rellenar espacios, formando un fuerte solido, anclado íntegramente a la edificación. [27] Los procedimientos constructivos con adobe son muy variados, se pueden mencionar entre otros, la construcción de muros denominados “Tapial” que empleaban tierra arcillosa compactada. [27] 1 En la actualidad se ha retomado la técnica tradicional del adobe y se han hecho estudios para mejorar sus características originales, esto ha producido lo que conocemos como ladrillo de adobe tecnificado, denominado así por que se utilizan maquinarias semi-mecanizadas o mecanizadas para producirlo y a la vez se le adicionan sustancias o materiales que mejoran sus características originales. [26] La utilización de puzolana para mejorar las características del concreto ha sido una de las principales innovaciones de la tecnología del concreto. Este arte fue conocido desde hace 2000 años en la cultura romana, pero se perdió en la Edad Media y no fue redescubierto sino hasta mediados del siglo XX. [12] Los morteros de cal y puzolana fueron usados por los romanos en muchas clases de estructuras, incluyendo las obras de carácter marítimo, el buen estado en el que se encuentran hoy muchas de estas construcciones pone de manifiesto la durabilidad del conglomerante utilizado. Las puzolanas se usan hoy en morteros, como adiciones directas al hormigón y como componentes de cementos puzolanicos. [28] Las puzolanas de origen natural se derivan de erupciones volcánicas, excepto las tierras diatomáceas, las cuales son formadas por silicatos amorfos hidratados, derivados de esqueletos de microorganismos acuáticos. El material de las erupciones volcánicas, compuesto principalmente de aluminosilicatos, es enfriado bruscamente, lo cual resulta en la formación de materiales con estructura desordenada o vítrea con materiales pobremente cristalinos. A la combinación de estructura pobremente cristalina o vítrea que puede poseer alta área superficial se le atribuye la reactividad de estos materiales. [26] Desde la visión del desarrollo sustentable, el uso de las puzolanas tiene dos beneficios importantes: el hecho de utilizar subproductos, que de otra forma terminan siendo contaminantes; y principalmente, la posibilidad de disminuir el 2 consumo de cemento, que es producido por una industria que contribuye significativamente a la emisión de dióxido de carbono (CO2). [12] En el siguiente trabajo se propone que para la mejora de los adobes se utilicen puzolanas que, además del lodo también se ha comprobado su uso en las edificaciones más antiguas. 3 CAPITULO 1 ESTADO DEL ARTE 1.0 Estado del Arte 1.1 Antecedentes La ambición del hombre por el desarrollo tecnológico para satisfacer sus necesidades, está causando la destrucción del ambiente por medio de la sobreexplotación de los recursos naturales, así mismo, acabando con la vida de los seres vivos con los que compartimos el planeta tierra, es por esta razón que es necesario desarrollar la tecnología de una forma sustentable y amigable con el medio ambiente. 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. Es por ello que hoy en día cientos de personas se centran en el desarrollo de tecnologías que se adapten a las necesidades actuales y que en un futuro aun sean útiles. Los materiales de construcción y la producción de energía son dos sectores que tienen un efecto muy grande sobre el medio ambiente y los ecosistemas pues su producción, transporte y uso emite grandes cantidades de contaminantes. 1.1.1 Las puzolanas La puzolana natural fue el siguiente material de construcción más antiguo luego que la cal y la piedra caliza fueran utilizadas por el hombre prehistórico. Los romanos y griegos utilizaban una combinación de cal y puzolana natural (ceniza volcánica) proveniente del Mediterráneo de erupciones volcánicas entre los años 1600 y 1500 a.C. en Santorin (Grecia) y en el año 79 d.C. en Vesuvio, bahía de Nápoles (Italia) para fabricar un cemento de gran durabilidad. [10] 5 1.1.2 Puzolanas en la Construcción Una combinación de puzolana y cal fue históricamente el primer aglutinante o cementante hidráulico y fue desarrollado por los romanos y algunas de las estructuras en las que se utilizo permanecen aun, después de 2000 años; un ejemplo de este poder cementante es el panteón de Roma construido en el año 123, dónde, mezclando nuevamente cal, puzolana, agua y aligerando el peso en las capas superiores al usar piedra pómez y puzolana no triturada, fue durante 1.500 años la mayor cúpula construida, y con sus 43,3 metros de diámetro aun mantiene records como ser la mayor construcción de hormigón no armado que existe en el mundo. [9] 1.1.3 ¿Por qué las Puzolanas? Las puzolanas han sido estudiadas principalmente en aplicaciones como morteros y en concreto, la utilización de las puzolanas en el concreto beneficia la durabilidad, aumenta la impermeabilidad, la resistencia al ataque de sulfatos, mejora de la resistencia al fisuramiento térmico y el incremento de la resistencia a edades tardías, ya que cuando se mezclan con hidróxido de calcio, mejoran las propiedades de los morteros que utilizan como base la cal. Alternativamente pueden ser mezclados con Cemento Portland para mejorar la durabilidad del concreto y su trabajabilidad reduce su costo considerablemente.[11] Esta capacidad de la puzolana para estabilizar materiales de construcción se debe a que las puzolanas son materiales sílicos o sílico – aluminosos que por sí solos poseen poco o nulo valor cementante, pero finamente 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.[8] En esta investigación se examina cuáles son las características de puzolanas que se pueden adquirir regionalmente para su uso como cementante en bloques compactados de arcilla. Se consideran su mineralogía, su morfología y su composición química. 6 CAPITULO 2 DEFINICION DEL PROYECTO 7 2.0 Definición del Proyecto 2.1 Objetivo En presente trabajo tiene como objetivo general la caracterización de 4 muestras de rocas volcánicas, la perlita, la piedra pómez, el tezontle y la zeolita, para determinar su puzolanidad y sus propiedades cementantes para su posible aplicación en la producción de bloques compactados de arcilla. 2.2 Objetivos Específicos Obtener las muestras de rocas volcánicas regionales Análisis físico de las muestras Caracterizar las muestras por difracción de rayos x (DRX) Caracterizar las muestras por microscopio electrónico de barrido (MEB) Caracterización por perdida por ignición y sílice total Análisis de los resultados y definición de la muestra mas apta 2.3 Hipótesis La caracterización de las muestras de rocas volcánicas facilitara el conocimiento de sus propiedades para su uso y adecuación como aditivo cementante en bloques compactados de arcilla. 2.4 Justificación Si bien el adobe es considerado un material frágil y por ello su uso se ha visto disminuido en los últimos siglos, la adición y mezcla correcta de materiales puede llegar a convertirlo en un material fuerte y resistente, uno de estos materiales que dan nuevas propiedades y características al adobe es la puzolana. Las construcciones del mundo moderno deben ser edificadas inteligentemente para poder ser resistentes, duraderas y al mismo tiempo impactar de la menor forma al medio ambiente, desarrollar materiales que cumplan con estas características hoy en dia es muy importante. 8 La industria de la construcción emplea más materiales por peso que cualquiera otras y sus procesos productivos generan una gran cantidad de contaminantes. La fabricación de cementantes para construcción contribuye aproximadamente con el 5% de la emisión antropogénica de CO2 a la atmósfera (Worrel et al. 2001). El uso de materiales sostenibles para la construcción de nuevas viviendas, es una realidad en nuestro país. La arquitectura y construcción con tierra es un conjunto sistémico de posibilidades técnicas y se compone de otros usos ecológicamente correctos, como energías limpias, maderas de reforestación, reaprovechamiento de aguas, etc. Además, el confort térmico generado por las estructuras en tierra cruda es natural, dispensando recursos artificiales con base en sistemas eléctricos. La durabilidad de estas construcciones es inmensa mientras esté acompañada de actividades de conservación (Raymundo et al. 2007). El uso de los materiales suplementarios como son las puzolanas naturales, la ceniza volante, las escorias, etc. ha mejorado la durabilidad del concreto. Sin embargo, en México es muy común el uso de las puzolanas naturales para producir el cemento portland-puzolana. Los posibles beneficios tecnológicos que aportan las puzolanas naturales en la estabiización de arcillas incluyen la reducción de la permeabilidad, la resistencia al ataque de sulfatos, la mejora de la resistencia al fisuramiento térmico y el incremento de la resistencia a edades tardías. Puesto que las puzolanas naturales están ampliamente disponibles en México, la explicación de las propiedades puzolánicas y cementantes de los aditivos minerales cuando son utilizados como sustitutos en el cemento portland da lugar a la posibilidad de un considerable beneficio económico. [30] 9 CAPITULO 3 MARCO TEORICO 3.0 Marco Teórico La Puzolana Según la ASTM (American Society for Testing and Materials), las puzolanas naturales son materiales sílicos o sílico-aluminosos que por si solos poseen poco o nulo valor cementante, pero finamente 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.[8] Existe puzolana tanto natural como artificial, así como humo de sílice. Las puzolanas de origen natural, 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 a lugar a fases vidriosas con estructuras amorfas pobremente cristalinas. [12] Las propiedades de las puzolanas dependen de la composición química y la estructura interna. Se prefiere puzolanas con composición química tal que la presencia de los tres principales óxidos: dióxido de sílice, oxido de aluminio, oxido de hierro (SiO2, Al2O3, Fe2O3) sea mayor del 70% por otro lado si la temperatura de combustión está en el rango entre 400-760 °C, hay garantía de que la sílice se forma en fases amorfas, de mucha reactividad. Para temperaturas superiores comienzan a formarse fases cristalinas de sílice, poco reactivas a temperatura ambiente. Las puzolanas presentan diferentes características dependiendo del lugar de 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). [13] Las puzolanas pueden ser utilizadas en combinación con hidróxido de calcio (Ca(OH)2) o bien con Cemento Portland. Cuando se mezclan con Ca(OH)2, los 11 aluminosilicatos presentes en la puzolana, reaccionan con el Ca(OH)2 liberado en la hidratación del cemento Portland. Esto se realiza en una reacción lenta (que disminuye el calor), consume el Ca(OH)2, lo que mejora su resistencia frente a ambientes ácidos y al realizarse la reacción rellena los espacios resultantes de la reacción de hidratación del cemento, lo que aumenta la impermeabilidad y la resistencia mecánica, esto también sirve para mejoran las propiedades de los morteros que utilizan como base la cal para mejorar la durabilidad del concreto y su trabajabilidad, y reduce su costo considerablemente.[11] Existen 1282 volcanes alrededor del mundo que son considerados por haber tenido actividad en los pasados 10,000 años, esto trae como resultado la generación de bancos de materiales alrededor del mundo con probabilidad puzolanica disponibles para su uso en la producción de cementos puzolanicos o para la producción de concretos conteniendo estos materiales. Marco geológico regional El estado de Querétaro se conforma por tres provincias fisiográficas: Mesa del Centro, Sierra Madre Oriental y Eje Neovolcánico. Provincia de la Mesa del Centro La provincia de la mesa del centro abarca una pequeña zona de la parte centrooccidente de Querétaro, donde predominan rocas ígneas extrusivas de tipo acido, como riolitas y tobas riolíticas, que están intercaladas en la mayor parte del area que cubre esta provincia en la entidad Hay además afloramientos de rocas basálticas superpuestas a las rocas ácidas, así como de rocas sedimentarias de ambiente continental, conglomerados que son producto de la denudación del antiguo paisaje volcánico y marino, representado por calizas del Cretácico Inferior. 12 Los rasgos estructurales de esta provincia tienen un origen relacionado con los fenómenos volcánicos, los cuales forman estructuras dómicas de laderas inclinadas sobre los puntos de erupción, debido a la alta viscosidad de las lavas de tipo ácido (silíceas), así como depósitos piroclásticos que caracterizan la morfología dominante del relieve. Los yacimientos mineros de esta porción de la provincia, son de minerales no metálicos, como el ópalo, también se realizan intermitentemente extracciones de caolín a cielo abierto. Provincia de la Sierra Madre Oriental La provincia de la sierra madre oriental comprende el 47% del territorio queretano y se constituye principalmente por rocas sedimentarias en su mayoría marinas; las más antiguas de ellas datan del Jurásico y afloran en diversas localidades como Bucareli, El Chilar y al oeste de Peñamiller. Sobre estas se encuentra una secuencia de rocas del Cretácico, constituidas por calizas y alternancia de calizas y lutitas, que marcan en toda la provincia un dominio espectacular de estructuras que forman anticlinorios y sinclinorios, los cuales, al recibir un empuje mayor de lo que soporta la deformación plástica de estas rocas, han sufrido rupturas regionales (cabalgaduras) en las que las del Cretácico Inferior han quedado sobrepuestas a las del Cretácico Superior, como aquella cuya traza pasa por la localidad de El Doctor. La mayoría de los distritos mineros de la entidad se encuentra en está región explotando plata, plomo, zinc, una mínima cantidad de oro y cobre. En el distrito minero de San Joaquín se encuentran ubicados los yacimientos de mercurio más importantes de la República. Otro aspecto importante es la explotación de minerales no metálicos, destacando la extracción de roca caliza, la explotación del mármol, la de bentonita y la de conglomerados para la obtención de grava y arena. 13 Provincia del Eje Neovolcánico La provincia del Eje Neovolcánico abarca gran porción del centro y sur de Querétaro, la morfología del paisaje está representada por diversos tipos de estructuras volcánicas, como son conos cineríticos, volcanes compuestos, flujos piroclásticos y extensos derrames lávicos de basalto con formas de mesetas y planicies. El conjunto de estructuras volcánicas características del paisaje de Querétaro se conformó sobre un paleorrelieve constituido por las rocas sedimentarias del Mesozoico, plegadas, correlativas con las que afloran en la Sierra Madre Oriental. La evolución de los fenómenos volcánicos propició el cierre de algunas cuencas que fueron azolvadas con aportes volcanoclásticos, los cuales litológicamente tienen características de rocas volcánicas depositadas en un medio lacustre y por lo tanto aparecen estratificadas. Las fases neotectónicas distensivas, asociadas con fenómenos volcánicos recientes, han contribuido a la formación de los rasgos del relieve de esta entidad, pues el fallamiento normal y el fracturamiento son los principales controles de sus incipientes patrones de drenaje. En esta zona se extraen minerales metálicos y no metálicos, también se explotan rocas volcánicas como el basalto, que son utilizadas en la obtención de materiales para la construcción. [15] 3.4 Rocas estudiadas En este trabajo se pretenden tomar muestras de rocas volcánicas para determinar su puzolanidad y su caracterización y determinación de las más aptas para uso en bloques compactos de arcilla; se analizaron las siguientes rocas volcánicas: la perlita(agrolita), la piedra pómez(pumita), el tezontle y la zeolita. 14 Perlita La perlita es una piedra volcánica de estructura vítrea (amorfa) que está formada en un 70 a 75% de sílice, 12 a 15% de alúmina, 0,5 a 2% de óxidos de hierro, 1 a 2% de óxidos de calcio, 0,1 a 1,3% de oxido de magnesio, 5 a 8% de álcalis; las pérdidas de calcinación son muy variadas y dependen en gran parte al origen de donde fue extraída la perlita. [24] La perlita se expande con temperaturas superiores a los 1000° C y pertenece al miso grupo que la obsidiana y la piedra pómez, dilatada se emplea como material de relleno ligero en paneles termoaislantes y de insonorización, en morteros, filtros, y en aislamientos de relleno. [25] Para la obtención de la perlita expandida, la roca se fragmenta en trozos no mayores a los 6 mm, esto se secan y calcinan en hornos especiales, la perlita después se dirige a la zona donde los gases de combustión alcanzan temperaturas de 1200°, se dilata y después de pasar por la zona de enfriamiento del horno se vierte en forma de escoria liviana en un deposito. [24] [25] 3.4.2 Piedra Pómez (Pumita) La pumita comúnmente conocida como piedra pómez o piedra pómex es una roca ígnea de origen volcánico vítrea, su composición se comprende mayormente de sílice y alúmina con porcentajes aproximados de 71% de dióxido de silicio (SiO2), 12.8% de oxido de aluminio (Al2O3), 1.75% de oxido de hierro (Fe2O3), 1.36% de oxido de calcio (CaO), 3.23% de Oxido de sodio (Na2O), 3.83% de potasio (K) y 3.88% de agua (H2O). La piedra pómez es una roca con alta porosidad y de baja densidad (entre 0,4 a 0,9 g/cm3), generalmente en colores blanco, rosa o gris, eficaz en el aislamiento térmico y con propiedades puzolánicas. Las piedras pómez son piroclásticos porosos, pumíticas, con brillo sedoso, se constituyen de fibras de vidrio trenzadas subparalelamente y retorcidas alrededor de huecos y de inclusiones, de tal modo que la roca semeja a espuma. Se forman 15 durante un enfriamiento muy rápido de un magma ascendiente de alta viscosidad (que sufre una descompresión repentina característica de las erupciones iniciales). El material expulsado es muy rico en gas y solidifica al estar en contacto con el aire, esto es muy característicos de las vulcanitas claras y ácidas, como por ejemplo de la riolita, y por ello son de color blanco grisáceo hasta amarillento, raramente de color café o gris. [17] Por ser considerada una puzolana natural de bajo costo, la piedra pómez en un ingrediente importante en la elaboración de cemento portland, aumentando su durabilidad y resistencia química (resistencia frente al ataque por aguas puras, carbónicas, agresivas o ligeramente acidas) Además de su uso en el cemento portland, la piedra pómez también se utiliza en la producción de hormigones ligeros, roca ornamental o de sillería, horticultura, tratamiento de aguas, producción de abrasivos, textil y filtros, en forma micronizada se incorpora por su capacidad absorbente y suavemente abrasiva en dentrificos, jabones y productos domésticos o industriales destinados al pulido. [16] 3.4.3 Tezontle El tezontle es una roca roja de origen volcánico que se ubica en las laderas del los cerros, volcanes y depresiones. En Estados Unidos se le puede encontrar en el valle de la muerte. En Asia y Europa en el volcán stromboli. En México solo se le encuentra en las sierras como la oriental u occidental y en volcanes como el popocatepetl e Iztaccíhuatl. Se produce a partir de piedra pómez, arena y magma. Su físico es deteriorado por la esponjosidad y en algunas veces se convierte en una piedra dura. Se emplea en la construcción de casas o diques, igual en la industria minera por su buen físico aun deteriorado y rica en minerales como calcio y zinc. Entre sus propiedades se encuentra la de guardar el calor, pero no es permeable ni aislante. Algunos de los usos que se le da a esta roca son: arreglos florales, 16 construcción de baños de temascal, construcción de hornos de barbacoa y de pan, para fabricar el tabicón negro. Molido se usa para relleno de calles de terracería y como fachada de algunas casas. [18][19] Zeolitas Las zeolitas son una familia de minerales aluminosilicatos hidratados altamente cristalinos que al deshidratarse desarrollan el cristal ideal, una estructura porosa con diámetro de poro mínimos de 3 a 10 angstroms. [20] A las especies minerales de la familia de zeolitas pertenecen los aluminosilicatos hidratados de Na, K y Ca (±Ba, ± Sr y ± Mg) con casi 40 especies minerales. Todas las especies minerales de esta familia tienen la estructura tridimensional de armazón con cavidades voluminosas y comunicantes, este tipo de estructura microscópica hace que las zeolitas presenten una superficie interna extremadamente grande, entre 500 y 1000 m 2/g, con relación a su superficie externa, en las cuales se disponen grandes cationes, principalmente de Ca, Na, K, Sr, Ba y las moléculas de agua. [20][22] Todas las zeolitas son consideradas como tamices moleculares, que son materiales que pueden absorber selectivamente moléculas en base a su tamaño, pero no todos los tamices moleculares son considerados como zeolitas, ya que también el carbón activado, las arcillas activadas, la alúmina en polvo, y la sílice en gel se consideran como tamices moleculares.[20] Las zeolitas se forman cuando la ceniza volcánica se deposito en lagos antiguos alcalinos. La interacción de la ceniza volcánica con las sales del agua de los lagos produjo la alteración de la ceniza produciendo distinto tipo de materiales de zeolita. Gracias a todas las propiedades y habilidades que poseen las zeolitas, tiene una infinidad de aplicaciones comerciales y ambientales. Por ejemplo, se puede utilizar las zeolitas en sitios industriales o de disposición de residuos, para evitar la liberación de contaminantes en el medio ambiente. [21] 17 CAPÍTULO 4 DESARROLLO DEL PROYECTO 4.0 Desarrollo del proyecto Métodos de Caracterización de las Muestras Se analizaron muestras de cuatro rocas volcánicas (perlita, piedra pómez, tezontle y zeolita) con el fin de caracterizarlas para determinar en base a sus propiedades su uso como cementantes en bloques compactados de arcilla, tomando como base su puzolanidad; las cuatro muestras fueron sometidas a difracción de rayos x, microscopia electrónica de barrido, sílice total y perdida en la ignición para determinar su morfología, composición química, mineralógica y contenido de sílice. Difracción de rayos x (DRX) Los rayos x fueron descubiertos accidentalmente por Wilhelm Conrad Roentgen en 1895 mientras estaba experimentando en la producción de rayos catódicos en tubos de descarga cubiertos con papel negro. El haz de electrones en el tubo de descarga, incidiendo en el vidrio del mismo, producía una radiación x de pequeña intensidad que provocaba la fluorescencia de un material fluorescente próximo. Roentgen dedujo correctamente que había producido un nuevo tipo de radiación electromagnética penetrante, denominada rayos x por una serie de misterios conectados con ella. Roetgen no pudo, a pesar de sus esfuerzos medir la longitud de onda de los rayos x y este problema llevo al descubrimiento de la difracción de rayos x por los cristales. Los rayos x se producen cuando los electrones que se mueven a gran velocidad chocan con los átomos de un elemento dado. Los electrones orbitales de las cubiertas K, L y M, profundos en la estructura extra nuclear del átomo que es bombardeado, son llevados temporalmente a estados excitados por la energía cedida por los electrones que bombardean. De esto estados excitados el electrón orbital vuelve a su estado estable en el proceso, esto es la radiación x.[23] El fenómeno de la difracción puede describirse con la Ley de “Bragg”, que relaciona la longitud de onda de los rayos-X y la distancia interatómica con el 18 ángulo de incidencia del haz difractado. Si no se cumple la ley de Bragg, la interferencia es de naturaleza no constructiva y el campo del haz difractado es de muy baja intensidad. Microscopia electrónica de barrido (MEB) La microscopía electrónica es un método de análisis químico no destructivo que permite conocer la composición química de partículas diminutas en la superficie de muestras sólidas, con una resolución espacial de alrededor de 1 μm. La técnica consiste en analizar la radiación emitida por una muestra sólida, cuando sobre ella incide un haz de electrones debidamente localizado. La microscopía se basa en la utilización del espectro característico, generado por la interacción de la radiación electrónica con la materia, con fines analíticos, tanto cualitativos (la energía de la radiación es característica de cada elemento) como cuantitativos (la altura del pico del espectro es proporcional a la cantidad de elemento presente en la muestra). El control y focalización del haz se realiza mediante dos lentes electromagnéticas (una condensadora, que modifica la intensidad del haz al variar su corriente, y otra objetivo, que modifica el tamaño del haz también al variar su corriente) y varios diafragmas. La columna electrónica, así como los espectrómetros, están sometidos a alto vacío para minimizar la absorción de los rayos x por el aire, especialmente en los elementos ligeros, cuya emisión es menos energética. Sílice Total y Pérdida en la Ignición La pérdida por ignición es una medida de la carbonatación del oxido de calcio (CaO) libre, esta técnica comprende la medición de la pérdida de peso de la muestra después de realizar una combustión seca del material; el procedimiento analítico varía ampliamente con respecto a la temperatura y tiempo de combustión 19 4.2 Metodología Caracterización Física La verificación física se lleva a cabo para conocer la textura general de las muestras que serán el objeto de estudio (perlita, piedra pómez, tezontle y zeolita), se obtuvieron resultados muy variados, desde texturas rocosas y duras hasta suaves y esponjosas, en general no hay limitaciones o características obligatorias para que una puzolana pueda utilizarse o no basándose en su aspecto físico. La verificación física nos permite determinar si es necesario efectuar triturado de la muestra y en todo caso el grado de triturado necesario para cada muestra en particular, esto, con la finalidad de facilitar su manejo durante las pruebas de caracterización. Para la caracterización de las muestras, todas fueron trituradas en mortero de porcelana, posteriormente fueron tamizadas por malla 80 y finalmente por malla 230 (62 µ) hasta obtener un polvo lo más fino posible, esto, para facilitar las pruebas siguientes, de las cuales se destacan la difracción de rayos x (DRX), microscopia electrónica de barrido (MEB), fluorescencia de rayos x (FRX), sílice total y perdida por ignición. Caracterización por Difracción de Rayos X (DRX) Fundamentos del método Desde el descubrimiento de los rayos X en el siglo XIX varias técnicas han 4, involucrando las diversas propiedades de estos rayos. Los rayos X son una forma de radiación electromagnética de elevada energía y pequeña longitud de onda; para llevarse a cabo el análisis interactúa un haz de rayos X con cierta longitud de onda en una sustancia cristalina, cuando el haz de luz incide en la materia, parte de este se dispersa en todas direcciones a causa de los electrones asociados a los átomos o iones que se encuentren en el trayecto y el resto del haz puede dar lugar al fenómeno de difracción de rayos X (DRX).[1] 20 El fenómeno de la difracción puede describirse con la Ley de “Bragg”, que relaciona la longitud de onda de los rayos-X y la distancia interatómica con el ángulo de incidencia del haz difractado. Si no se cumple la ley de Bragg, la interferencia es de naturaleza no constructiva y el campo del haz difractado es de muy baja intensidad. [1] La cristalografía de rayos X abarca un grupo de técnicas que utilizan las ondas de los rayos X, la posición e intensidad de los rayos X difractados por un sólido cristalino proporciona la información acerca de su estructura cristalina, su composición solida, tamaño de partícula muestras de descomposición, polimorfismo, orientación preferida, desorden y más.[5] Preparación de las muestras 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, en un equipo de difracción Rigaku modelo DMAX 2200. (Fig.1) Las muestras fueron finamente molidas y tamizadas con malla del No. 230 proporcionando un tamaño de partícula de 62 µ, fueron homogenizadas cuidadosamente para obtener una muestra representativa. (Fig. 2 y 3) Posteriormente se colocaron en el portamuestras que consiste en una lamina metálica con una abertura cuadrada de aproximadamente un milímetro de grosor y en la parte inferior posee una placa de vidrio para contener la muestra en polvo comprimida. (Fig.4) El análisis se realizo en un intervalo 2θ que va del ángulo 2 a 90, con una velocidad de barrido de 2 grados/min, 30 mA y 36KVA, radiación CuKα (λ=0.15405). 21 Fig1. Equipo de DRX Rigaku 2200 Fig.2 Molido de las muestras Fig.3 Tamizado de las muestras Fig.4 Interior del equipo difractor donde se aprecia el portamuestras 22 Resultados En las figuras 5, 6, 7, 8 se muestran los difractogramas del tezontle, la zeolita, la perlita y la piedra pómez respectivamente. Fig.6 Difractograma de tezontle Fig.8 Difractograma de perlita Fig.7 Difractograma de zeolita Fig. 9Difractograma de piedra pómez 23 Análisis y discusión de los resultados Con el banco de datos del equipo difractor, se justificaron únicamente los picos de los espectros del tezontle y de la zeolita, identificando sus diferentes fases, dado que la perlita y la piedra pómez obtuvieron un resultado amorfo en sus espectros. Se identifico la presencia de zeolita tipo clinoptilolita ((Na, K, Ca)6(Si, Al)18 O36·11H2O)como fase mineralógica predominante acompañada de heulandita (Ca(Al2Si7)6H2O), en conjunto con calcio, sodio, y aluminosilicatos que nos indica la existencia de cuarzo. El tezontle en su estructura nos revelo la presencia de oxido de hierro (Fe 2O3) y silicatos de aluminio con sodio y potasio lo cual indica la existencia de cuarzo, así como un leve contenido de calcita (CaCO3) En el espectro de la perlita se muestra un pico de grado amorfo, es decir que no tienen una estructura cristalina definida lo que indica que la perlita es vítrea, al igual que la piedra pómez que presenta un leve pico de sílice. 24 Caracterización por Microscopia Electrónica de Barrido (MEB) Fundamentos del método Un microscopio electrónico de barrido crea una imagen ampliada de la superficie de un objeto En las imágenes se puede apreciar la micro-estructura de las muestras, detallando de manera extraordinaria, sus características morfológicas y topográficas; el MEB explora toda la superficie punto por punto, su funcionamiento se basa en recorrer toda la superficie de la muestra con un haz muy concentrado de electrones, los electrones viajan a través de un cañón y un detector mide la cantidad de electrones enviados que arroja la intensidad de la zona de la muestra, siendo capaz de formar y mostrar figuras en tres dimensiones, proyectadas en un monitor, cada punto leído corresponde a un pixel y la resolución de las imagenes está entre 3 y 20 µm, dependiendo del microscopio. [6] El analizador EDS (espectrómetro de dispersión de energía) de rayos X (EDX) identifica la distribución cuantitativa y cualitativa de elementos químicos que se encuentran presentes en la muestra, mostrando gráficas e imágenes relacionadas con esa distribución. [7] Preparación de las muestras Los análisis de microscopia electrónica de barrido se realizaron en los laboratorios del Instituto de Metalurgia del estado de San Luis Potosí, a este análisis fueron sometidas las 4 muestras. Para el análisis se empleo un equipo Philips XL 30 equipado con un detector EDX. (fig.10) Las muestras a analizar se colocaron uniformemente sobre una película de carbón adherida a un portamuestras de aluminio el cual después se coloca en la cámara de vacío donde se aplica un sistema de alto vacio, posteriormente se enciende el equipo y el portamuestras comienza a ser bombardeado con un haz de electrones, las señales son interpretadas por el equipo y la imagen comienza a proyectarse en 25 la pantalla. Para poder manipular el microscopio es necesario un programa específico del equipo. El detector utilizado para minerales es de electrones retrodispersos el cual tiene la propiedad de determinar compuestos en función de su numero atómico, así si un elemento o compuesto tiene un numero atómico alto, la imagen de este se presenta blanca y brillante, contrariamente si se tiene un numero atómico bajo, la imagen pierde blancura y brillantez. El detector EDX es manejado por medio de un programa especial y analiza puntualmente las partículas seleccionadas dando un valor en porcentaje en peso, datos suficientes para identificar el mineral seleccionado. [4] Fig.10 Equipo MEB utilizado 26 Resultados Una serie de fotografías fueron tomadas a cada muestra, las cuales muestran las características microscópicas de la perlita (fig. 11), la piedra pómez (fig. 12), el tezontle (fig. 13) y la zeolita (fig. 14) respectivamente, las fotografías fueron tomadas a un aumento de 200µm. En las fig. 11 y 12 se muestra la MEB de la perlita y piedra pómez respectivamente En las fig.13 y 14 se muestra el MEB del tezontle y la zeolita respectivamente 27 O Na Al 29.88 1.61 9.44 31.30 1.61 9.44 Si K Fe 49.79 7.35 2.19 46.77 7.79 3.08 Ti 0.0 0.0 Mg 0.0 0.0 Total 100.00 100.00 Perlita P. Pómez Tezontle 27.47 2.66 10.19 32.22 1.45 12.77 1.47 3.33 100.00 Zeolita 33.49 0.0 9.54 45.57 4.51 2.25 0.0 1.09 100.00 Tabla 1 de la composición química y porcentaje de las muestras analizadas Fig.15 %, de aluminio en las diferentes muestras Fig.17, % de hierro en las diferentes muestras Fig.16, % de sílice en las diferentes muestras Fig.18, % de oxigeno en las diferentes muestras 28 Análisis y discusión de los resultados La composición química elemental y el porcentaje presente en las muestras se aprecia en la tabla 1 en la fig.15, se puede ver de forma más clara que el contenido de aluminio presente en la perlita y la piedra pómez es bajo comparado con el tezontle, en la fig.16, que representa el porcentaje de sílice de cada muestra se aprecia que la perlita es la que contiene un porcentaje más alto seguida de la piedra pómez, la zeolita y el tezontle que es pobre en este elemento comparado con las demás muestras. En la fig.17, que muestra el porcentaje de hierro se puede ver que el tezontle tiene un buen porcentaje de este elemento mientras que la perlita, la piedra pómez y la zeolita tienen un porcentaje bajo de este mineral; en la fig.18, que muestra el porcentaje de oxigeno se aprecia que el tezontle tiene un bajo contenido de este elemento comparado con las demás muestras que tienen una leve diferencia en el contenido que poseen. 29 Caracterización Perdida por Ignición y Sílice Total Fundamento del Método La pérdida por ignición es una medida de la carbonatación del oxido de calcio (CaO) libre, esta técnica comprende la medición de la pérdida de peso de la muestra después de realizar una combustión seca del material; el procedimiento analítico varía ampliamente con respecto a la temperatura y tiempo de combustión. Con temperaturas de 430 ºC se lograría una completa oxidación de la materia orgánica. Dean (1974) encontró que las pérdidas por ignición llevadas a 550°C proveen una medida del contenido del material orgánico con una precisión comparable a otros métodos como el analizador de carbono, el cual mide el carbono total como CO 2 por cromatografía de gases. Preparación de las muestras Estos análisis se llevaron a cabo en los laboratorios del Instituto de Metalurgia del estado de San Luis Potosí. Se pesaron exactamente 3 gramos de cada muestra y se colocaron en crisoles, los cuales, fueron metidos en mufla a 800°C por dos horas (fig.19) y después de dejar enfriar se pesaron nuevamente, las diferencias de pesos se muestran en la tabla 2. Se tomo la muestra nuevamente(a la que se le fue eliminado el carbono) y se coloco en vasos de precipitado, se agrego en campana de extracción un aproximado de 50 ml de ácido nítrico (H2NO4)) y se cubrieron con vidrio de reloj para evitar la evaporación acelerada del (H2NO4)) posteriormente se pusieron a hervir durante aproximadamente 15 minutos en la campana para evitar fuga de gases. (fig. 20) Pasados los 15 minutos se les retiro el vidrio de reloj para permitir que escaparan los gases y esperar a que las muestras enfriaran, luego se filtraron en un filtro del 30 numero 42 (el filtro fue pesado previamente para evitar confusiones con el peso de la muestra) y se lavaron con agua desionizada. (fig. 21) El filtro se dejo secar durante 24 horas en horno a 100°C ± 5°C, pasado este periodo se pesaron nuevamente los filtros con la muestra (se resto el peso aproximado del filtro del peso total) y el peso resultante fue el peso del sílice insoluble, los resultados se muestran en la tabla 2. Fig.19 Crisoles con muestra en mufla Fig. 20 Muestras con (H2NO4)) Fig. 21 Filtrado de muestras 31 Resultados Muestra Peso inicial Perlita 3.0000g Peso después de % de pérdida por ignición ignición 1.1834% 2.9645g Peso de sílice insoluble 2.1234g % de sílice insoluble P. Pómez 3.0000g 2.8972g 3.4267% 2.1221g 69.7949% Tezontle 3.0000g 2.9289g 2.3750% 1.5586g 53.2145% Zeolita 3.0000g 2.7029g 9.9034% 1.4137g 52.3030 71.6275% Tabla 2, La diferencia de pesos es el del carbono que se libera en forma de CO2; la diferencia entre el peso después de ignición y el peso de sílice insoluble es el peso soluble Análisis y discusión de los resultados Se observo que la zeolita es la que pierde una mayor cantidad de carbono en la ignición, seguida por la piedra pómez, mientras que la perlita y el tezontle pierden un mínimo porcentaje de carbono durante la ignición. Los resultados nos muestran que aunque la perlita y la piedra pómez tienen un porcentaje elevado de sílice en su composición su sílice soluble no es muy alta, por el contrario la zeolita tuvo una perdida alta de este componente al igual que el tezontle siendo que el tezontle no posee mucha sílice. 32 CAPITULO 5 CONCLUSIONES 5.1 Conclusiones En base a los resultados obtenidos en las pruebas de caracterización (DRX, MEB, sílice total y perdida en la ignición) se determino que la perlita y la piedra pómez son las rocas volcánicas más aptas para su uso en bloques compactados de arcilla, esto porque ambas rocas poseen un contenido alto de sílice y por lo tanto poseen una estructura amorfa o vítrea lo que les proporciona la facilidad de reaccionar con otros elementos, en base a otros estudios se ha determinado también que la reactividad de la perlita y la piedra pómez es mayor que la del tezontle y la zeolita, con la realización de análisis reactivos con hidróxido de calcio. El tezontle y la zeolita que se han descartado por completo como puzolanas ya que sus características no cumplen con las mínimas para ser una puzolana y sus propiedades cementantes son muy bajas o nulas. 5.2 Recomendaciones Se recomienda una caracterización con otros métodos (tamaño de partícula, análisis termo gravimétricos y de gravimetría) con la finalidad de analizar más características disponibles de las piedras, así como buscar más opciones de rocas volcánicas para poseer un mayor número de opciones disponibles de puzolanas. 34 Referencias Referencias [14 ] Anónimo, La puzolana [10] Becker, E. (2002) Cemento Portland Puzolanico: Caracteristicas y Recomendaciones de Uso [3] Deepa G. Nair, K.S. Jagadish, Alex Fraaij Reactive pozzolanas from rice husk ash: An alternative to cement for rural housing; [26] Gutiérrez y Olivares (2002). 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