Estudio relativo a la utilización de escorias de incineradora en morteros hidráulicos

Capítulo núm.3: Caracterización de las escorias como árido fino Pág 11 3 CARACTERIZACIÓN DE LAS ESCORIAS COMO ÁRIDO FINO 3.1 Introducción y Objetivo. Una vez presentados en el capitulo anterior los aspectos más relevantes relativos a los moteros y hormigones con escorias de incineradora, en el presente capítulo se exponen las distintas facetas relativas al estudio realizado para la caracterización de las escorias como árido fino para morteros. Este estudio se ha basado en la evaluación de diferentes características físicas de las escorias en relación a las de un árido fino natural. Capítulo núm.3: Caracterización de las escorias como árido fino Pág 12 En primer lugar se presentan las características de los materiales utilizados en cuanto a su origen y tratamiento para su obtención. Seguidamente se explican los procedimientos de ensayos seguidos y finalmente los resultados obtenidos y un análisis de los mismos. 3.2 Origen de los materiales El fino natural o árido patrón de referencia es un árido de origen calizo y perteneciente a la fracción 0/5 mm. y otro perteneciente a la fracción 0/2. A partir de este momento este árido será designado como árido patrón. En segundo lugar caracterizaremos a las escorias. Estas provienen de la combustión de residuos urbanos en una planta incineradora. Concretamente se han estudiado dos incineradoras: - Planta de Mataró. Pedreres Rusc. En esta planta se tratan los residuos que llegan en camiones de recogida directa y el rechazo de la planta de reciclaje y trituración que se encuentra en la nave contigua. La incineración se realiza con dos hornos del tipo parrilla móvil de barrotes. Como dato significativo durante el ejercicio de 1.999 se incineraron 170.000 toneladas produciéndose 40.000 toneladas de escorias. Posteriormente, en Pedreres Rusc, se realiza un tratamiento mecánico que separa las fracciones gruesas y finas. También se realiza un tratamiento físico que separa los metales, más fáciles de reutilizar. Las muestras se tomaron directamente del acopio de Pedreres Rusc con un envejecimiento superior a tres meses. Las que nos interesarán a nosotros serán la fracción de 0 a 3 mm. y la fracción de 3 a 5 mm. A partir de este momento nos referiremos a ellas como MAT 0-3 y MAT 3-5 respectivamente. Figura 3.2.(1)Planta Incineradora de Mataró. Figura 3.2.(2)Escorias de Mataró para ensayos. - Planta de Tarragona. En esta planta se recogen e incineran los residuos sólidos urbanos de la zona de Tarragona. Los dos hornos de parrilla con rodillos aseguran una temperatura que oscila Capítulo núm.3: Caracterización de las escorias como árido fino Pág 13 entre los 850ºC y los 1000ºC. La cantidad tratada durante el 1.999 asciende a 144.000 toneladas con una producción de 36.000 toneladas de escorias (25%). Estas escorias son conducidas desde la salida del horno a un separador que separa los metales y las distribuye para su envejecimiento. Las muestras que se tomaron tenían un envejecimiento superior a tres meses. Estas muestras fueron tamizadas en fracciones, obteniéndose las fracciones de 0 a 3 mm. y de 3 a 5 mm. A partir de este momento nos referiremos a ellas como TAR 0-3 y TAR 3-5 respectivamente. Figura 3.2.(3). Planta Incineradora de Tarragona Figura 3.2.(4). Escorias de Tarragona para ensayos.. 3.3 Propiedades evaluadas Las propiedades físicas que se han determinado han sido: - Densidades y absorción. - Granulometría. - Equivalente de arena. Estas propiedades son básicas para una correcta dosificación a posteriori de los morteros. Previamente a la realización de cualquier ensayo se ha procedido al cuarteo de las muestras según la normativa para tomar una muestra representativa y del tamaño necesario para el ensayo (EN 932-2: Ensayos para determinar las propiedades generales de los áridos. Métodos de reducción de muestras de laboratorio). Capítulo núm.3: Caracterización de las escorias como árido fino Pág 14 Figura 3.3.(1). Cuarteador para grandes volúmenes Figura 3.3.(2). Cuarteador para pequeños volúmenes. 3.4 Procedimientos de ensayo 3.4.1 Densidad y absorción Una de las propiedades físicas más importantes de nuestros materiales es la densidad puesto que nos será necesaria en el cálculo de volúmenes y nos servirá como criterio de comparación con la arena patrón. Al realizar este ensayo podemos decir que de acuerdo a los tipos de agregados encontraremos partículas que tienen poros saturables y otras con poros no saturables que dependiendo de su permeabilidad pueden estar vacíos parcialmente saturados o totalmente llenos de agua, generando así una serie de estados de humedad y densidad. Lo que más interesa en el diseño de la mezcla es la densidad aparente de los agregados. Este factor es importante para el diseño de la mezcla porque con él podemos determinar la cantidad de agregado o árido fino requerido para un volumen unitario de mortero o hormigón. El ensayo se desarrolla en tres fases. En una primera fase se selecciona una muestra y se deja saturar durante 24 horas. Pasado este período, se procede a la eliminación lenta y progresiva del agua mediante secado por ventilación hasta conseguir el punto en que la muestra esté saturada y la superficie seca. Este estado de humedad se evalúa mediante el ensayo del piezocono, introduciendo una parte de la muestra en un molde cónico, se apisona unas 25 veces dejando caer el pisón desde una altura aproximada de 1 cm, posteriormente se nivela y si al quitar el molde la muestra se deja caer es porque no existe humedad libre, si es lo contrario se sigue secando y se repite el proceso hasta que cumpla con la condición. Cuando se cae el agregado al quitar el molde cónico es porque se ha alcanzado una condición saturada con superficie seca. Capítulo núm.3: Caracterización de las escorias como árido fino Pág 15 Figura 3.4.1.(1). Muestra en saturación. Figura 3.4.1.(2). Evaluación de la humedad con el cono. A continuación se toman pesos y volúmenes de la muestra después de haber-la mantenido en un baño a 25ºC. Finalmente se deposita ésta en el horno para un completo secado de 24h. La última fase consiste en el peso de la muestra sin agua. Figura 3.4.1.(3). Muestra en los matraces. Figura 3.4.1.(4). Baño a 25ºC. De la toma de esta serie de datos necesarios y de la aplicación de las fórmulas elementales que relacionan densidades, pesos y volúmenes obtenemos los siguientes parámetros: - Peso específico aparente del árido seco. - Peso específico aparente del árido saturado superficie seca. - Peso específico real del árido. - Absorción. La evaluación de estas propiedades se ha realizado según la normativa europea EN 1097-6. Ensayos para determinar las propiedades generales de los áridos. Determinación de la densidad de la partícula y absorción de agua. En un principio se realizó el ensayo lavando el material para eliminar el material que pasa por el tamiz 0.063 mm, siguiendo los criterios de la norma. Aunque se incluyen estos Capítulo núm.3: Caracterización de las escorias como árido fino Pág 16 resultados, no se consideran relevantes a efectos prácticos puesto que el objetivo de esta caracterización es la correcta dosificación de los morteros. A tal fin se considera más verosímil la realización del ensayo sin lavado de finos, puesto que es realmente el material para la fabricación de los morteros. 3.4.2 Granulometría Para la correcta caracterización del material y la comprobación de su idoneidad para el uso como árido para morteros, debemos determinar la distribución del tamaño de las partículas. Se ha seguido el proceso descrito en la norma EN 933-1: Ensayos para determinar las propiedades geométricas de los áridos. Métodos del tamiz. Este método consiste en hacer pasar un muestra representativa por una serie de tamices UNE y calcular el porcentaje que queda retenido en cada uno. El análisis granolumétrico tiene como objetivo determinar la proporción de las diferentes granolumetrías que presenta un suelo. Es decir, mediante este análisis sabemos que cantidad de suelo comprende cada intervalo granolumétrico. Para realizar este ensayo tomamos la muestra inicial. Nuestro material es una fracción menor de 5mm por lo que se trata como finos. Pesamos la muestra y luego se lava el material con el fin de eliminar las partículas más finas que pueden quedar enganchadas en la superficie de los granos. Después de haber lavado la muestra, se pone en el horno y una vez seca se vuelve a pesar. Se pasa la muestra por la serie de tamices, en este caso se trata de la serie UNE que es la siguiente: 5 mm 4 mm 2 mm 1 mm 0,5 mm 0,25 mm 0,125 mm 0,063 mm El tamizado se suele realizar con una tamizadora automática, aunque en este estudio se hizo manualmente. Una vez conocidas la cantidad de suelo (en peso) retenida en cada intervalo granolumétrico, se hace una gráfica donde se representa la cantidad de suelo respecto el tamaño de grano. De este gráfico se obtiene una curva más o menos recta en función de las características del suelo. De esta forma suelos con curvas similares tendrán un comportamiento granolumétrico similar. 3.4.3 Equivalente de arena Este ensayo permite saber la cantidad de finos que se encuentran en nuestra muestra. Nuestro objetivo es obtener el porcentaje de materiales finos indeseables, principalmente las arcillas que son los materiales que en contacto con el agua pueden producir efectos indeseables en los morteros y hormigones. El equivalente de arena (EA) se define como el cociente, multiplicado por 100, de la altura de la parte arenosa sedimentaria y de la altura total de finos floculados depositados en una probeta. El ensayo de desarrolla según el siguiente proceso: 1.- Se obtiene una cantidad de material aproximadamente de unos 500 gr., se cuartea y se toman tres muestras representativas del material con un peso de 120 gr cada una de las cuales se pesa en una cápsulas. Capítulo núm.3: Caracterización de las escorias como árido fino Pág 17 2.- Se prepara una solución de líquido desfloculante para añadir a la muestra. 3.- Se agrega a la probeta la solución de trabajo hasta la marca de 10 cm. Seguidamente introducimos dentro de la probeta el contenido en una de las cápsulas procurando que la solución impregne el material dándole unos golpes en la parte inferior de la probeta y dejar en reposo durante 10 min. Para que se homogenice la muestra. Pasado este tiempo se tapa y se lleva al agitador, donde manteniéndola horizontal, hará unos 90 ciclos de agitación durante unos 30 segundos. 4.- Se retira del agitador y se le agrega más solución de trabajo hasta la marca final ( 38 cm). Para continuar con el proceso debe darse un picado con una varilla acanalada por la que fluye la solución para que las partículas finas tiendan a subir y no queden atrapadas debajo de la arena. Seguidamente se va subiendo lentamente el tubo regador y se irá lavando las paredes de la probeta. A continuación se baja nuevamente el tubo para provocándole a la muestra una turbulencia con el mismo. Cuando el nivel de la muestra llega a la marca final se cierra la manguera del irrigador y esta solución se deja en reposo durante 20 min. 5.- Después de este tiempo se lee directamente en la probeta la altura a la que se encuentra los finos. Este valor se le llama lectura de arcilla. 6.- A continuación, se introduce el pisón lentamente para evitar turbulencias. Cuando ya no baje más se le da un pequeño giro sin aplicar presiones y con la ayuda de la marca del pisón se toma la altura (respecto a la base) a la que se encuentra la arena. 7.- Se mide la altura a la que llegan los finos y también la altura a la que llegan los gruesos. 8.- Para obtener el valor del equivalente de arena dividimos para cada probeta la altura de los gruesos entre la altura de los finos y lo multiplicamos por 100 de manera que obtenemos un valor para cada probeta, Para que este ensayo se considere representativo y realizado correctamente se realizará 3 veces y se deberá obtener una variación menor al 5%. Figura 3.4.3.(1). Material para el ensayo. Figura 3.4.3.(2). Probetas con las escorias. En todo momento se ha seguido el procedimiento definido en la norma UNE-EN 9338:2000, “Ensayos para determinar las propiedades geométricas de los áridos. Evaluación de los finos. Ensayo del equivalente de arena.”. Capítulo núm.3: Caracterización de las escorias como árido fino Pág 18 3.5 Resultados y análisis de resultados 3.5.1 Densidades y absorción Los resultados de este ensayo para los diferentes materiales son los siguientes: PATRÓN MATARÓ TARRAGONA 0-2 0-5 0-3 3-5 0-3 3-5 Peso específico aparente árido seco (g/cm3) 2,387 2,480 1,814 1,968 1,566 1,854 Peso específico aparente árido sss (g/cm3) 2,493 2,552 2,104 2,207 1,961 2,133 Peso específico real (g/cm3) 2,669 2,673 2,559 2,587 2,587 2,570 Absorción (%) 4,4 2,9 16,0 12,2 25,2 15,0 Tabla 3.5.1.(1). Tabla de densidades y absorción. Elaboración propia. Gráfico de las densidades (0-3) 1,600 1,800 2,000 2,200 2,400 2,600 Peso específico aparente árido seco (g/cm3) Peso específico aparente árido sss (g/cm3) Peso específico real (g/cm3) (g/cm3) MAT - 0/3 TAR - 0/3 Patrón 0/2 Figura 3.5.1.(1). Representación gráfica de densidades y absorciones para áridos de 0-3 mm. Elaboración propia. Gráfico de las densidades (3-5) 1,900 2,000 2,100 2,200 2,300 2,400 2,500 2,600 2,700 Peso específico aparente árido seco (g/cm3) Peso específico aparente árido sss (g/cm3) Peso específico real (g/cm3) (g/cm3) MAT3/5 TAR - 3/5 Patrón 0/5 Capítulo núm.3: Caracterización de las escorias como árido fino Pág 19 Figura 3.5.1.(2). Representación gráfica de densidades y absorciones para áridos de 0-3 mm Elaboración propia. Se observa que el peso específico real es muy parecido entre escorias y la arena patrón. En cambio se observa una gran diferencia entre los pesos específicos aparentes. Los resultados después de la eliminación de la fracción inferior a 0,063 mm son: PATRÓN MATARÓ TARRAGONA 0-2 0-5 0-3 3-5 0-3 3-5 Peso específico aparente árido seco (g/cm3) 2,387 2,480 2,010 2,086 1,678 1,916 Peso específico aparente árido sss (g/cm3) 2,493 2,552 2,248 2,289 2,027 2,183 Peso específico real (g/cm3) 2,669 2,673 2,637 2,618 2,579 2,614 Absorción (%) 4,4 2,9 11,8 9,7 20,8 13,9 Tabla 3.5.1.(2). Tabla de densidades y absorción sin la fracción fina. Elaboración propia. Es interesante observar la diferencia que existe entre los resultados con los finos y sin ellos. Este hecho es muy relevante puesto que influye en el incremento de agua en la dosificación del mortero. Este incremento es debido a la por absorción de agua por el árido totalmente seco. 3.5.2 Granulometría En el siguiente tabla podemos apreciar los porcentajes de las diferentes escorias y el árido patrón. % Pasa TAMIZ M 0-3 M 3-5 T 0-3 T 3-5 Patrón 0-5 6,3 100,0% 99,4% 100,0% 100,0% 100,0% 5 100,0% 98,0% 100,0% 96,1% 100,0% 4 100,0% 92,6% 100,0% 87,1% 97,5% 2 97,1% 57,9% 98,2% 51,2% 89,5% 1 68,7% 36,4% 76,5% 27,7% 57,5% 0,5 40,6% 26,2% 51,1% 17,7% 37,0% 0,25 25,7% 20,0% 33,6% 13,3% 18,0% 0,125 18,7% 14,5% 23,5% 11,0% 8,0% 0,063 14,6% 10,6% 17,2% 9,2% 0,5% Tabla 3.5.2.(1). Tabla de Granulometrias. Elaboración propia. Se observa un elevado porcentaje de material inferior a 0,063 milímetros, también denominado filler, que está relacionado con la elevada absorción. Se han seguido las recomendaciones de la Norma ASTM C-33-97 “Standard