Inclusión de Residuos Industriales en La Producción de Materiales Cerámicos

IIIII Simposio Iberoamericano I Simposio Iberoamericano I Simposio Iberoamericano I Simposio Iberoamericano dededede Ingeniería de Residuos Ingeniería de Residuos Ingeniería de Residuos Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.

INCLUSIÓN DE RESIDUOS INDUSTRIALES EN LA PRODUCCIÓN DE MATERIALES CERÁMICOS

Quaranta, N.*+; Caligaris, M., López, H., Unsen, M. y Lalla, N.++ Grupo de Estudios Ambientales – Facultad Regional San Nicolás – Universidad Tecnológica Nacional

Colón 332, San Nicolás-Argentina.

+ Investigador CIC ++ Becario doctoral ANPCyT

Resumen

Sin duda la industria de la construcción, y en particular la producción de materiales cerámicos, constituye una de las áreas más efectivas para la reutilización de residuos industriales.

Siguiendo las etapas habituales de los procesos cerámicos, tales como molienda de las materias primas, selección de tamaños granulométricos, humectación, mezclado y prensado, y finalmente tratamiento térmico adecuado al producto diseñado, pueden incorporarse importantes cantidades de descartes industriales, en la fabricación de cuerpos compactos cocidos.

Los residuos industriales se incorporan como adiciones a materiales de base arcillosa con el fin de obtener productos aptos en construcciones civiles. Entre los residuos estudiados se pueden mencionar cenizas gruesas de centrales térmicas, lodos de proceso de alto horno, cenizas de semillas de girasol, aserrín, arenas de moldeo de fundición, estériles del proceso de extracción de carbón, entre otros. Tanto las materias primas utilizadas como los productos cerámicos obtenidos son exhaustivamente caracterizados y ensayados.

Este trabajo describe una metodología general para la obtención de materiales cerámicos a partir de residuos industriales inertes o no especiales, que contempla las etapas posibles desde la recepción del material de descarte hasta la obtención del producto final, con mención de situaciones particulares en relación a los descartes mencionados.

Palabras clave: cerámicos, residuos, reciclado

1. Introducción

Como productos secundarios en los procesos industriales se genera una gran cantidad de residuos. La dificultad de establecer lugares adecuados para el depósito de aquellos residuos que sólo generan contaminación volumétrica ha provocado que se contemple como la mejor alternativa posible el reciclado de los mismos, evitando no solamente el impacto que su acumulación produce sino los costos que su traslado y almacenamiento originan.

Es importante mencionar que dentro de la clasificación más general existen tres tipos de residuos: especiales, no especiales e inertes [1]. El residuo especial es aquel que por sus características tóxicas o peligrosas y por su grado de concentración, precisa de tratamientos específicos y de controles estrictos debido a sus potenciales efectos perniciosos. Se consideran residuos inertes aquellos que no sufren ningún tipo de cambio fisicoquímico con el tiempo en las condiciones habituales de su disposición. Los residuos no especiales son aquellos que si bien pueden sufrir transformaciones, los productos no resultan potencialmente peligrosos.

* Correspondencia: [email protected]


Se han propuesto y se han aplicado numerosos cambios en los procesos productivos con las denominadas tecnologías limpias y de minimización, que tienden por un lado a reducir en origen la generación de residuos, y por el otro a reutilizarlos transformándolos en subproductos de otras industrias. La valorización de éstos es precisamente la clave para lograr que se dé un vuelco a esta situación interesando al sector industrial guiado por motivos de productividad, y al sector científico en su espíritu investigador.

De igual forma, numerosos procesos generales se han diseñado y utilizado para el reciclado de los residuos industriales, con un gran número de pasos y etapas alternativas debido a la gran diversidad de composiciones y propiedades que se encuentran al estudiar un residuo determinado. De manera específica se han hallado en literatura estudios de factibilidad de reutilización de cenizas volantes, escorias y barros [2-6], catalizadores y pigmentos [7], materiales refractarios [8], puzolanas [9], vidrios y cerámicos [10-13], materiales metálicos [14], cenizas de biomasa [15], estériles de explotación minera [16-18], etc.

La industria de la construcción civil y sus auxiliares pueden constituir verdaderos receptores de residuos y subproductos, que al manejar grandes volúmenes de materiales, pueden incluir en sus composiciones importantes porcentajes de descartes [1,19].

En los últimos años, los autores han realizado numerosas investigaciones empleando diferentes técnicas de tratamientos de residuos, con el objetivo de reducir el impacto que los mismos ocasionan en el entorno. Los materiales de descarte evaluados para obtener nuevos productos son: vidrio de rezago, aisladores de porcelana eléctrica, cenizas de semillas de girasol, cenizas originadas por la quema de carbón, residuos del proceso de obtención de cobre y de carbón, neumáticos en desuso, lodos de los procesos siderúrgicos, aserrines, arenas residuales de fundición, catalizadores agotados, entre otros.

El desecho de vidrio no agrede en realidad al ambiente, ya que las materias primas con las que éstos se fabrican se utilizan en la misma proporción en la que se encuentran en la corteza terrestre. El vidrio de rezago se utilizó como componente principal para la obtención de materiales cerámicos, a través de la formación de distintas mezclas con diferentes materias primas típicas en la producción de cerámicos. Así, estos vidrios de descarte fueron mezclados con bentonita [20], silimanita [21] y alúmina [22].

Los aisladores cerámicos utilizados por las empresas eléctricas, luego de su vida útil, producen serios problemas de contaminación volumétrica. Se estudiaron dos clases de aisladores de porcelana eléctrica fuera de uso, de distinta procedencia comercial. Los polvos obtenidos a partir de estos materiales resultaron constituidos fundamentalmente por mullita, pero en un caso resultaron ricos en alúmina y en el otro contenían una importante cantidad de cuarzo, lo que determinó diferentes evoluciones de la microestructura durante su cocción [23]. Un análisis del comportamiento de sinterización se realizó a través de estudios de densificación a distintas velocidades de calentamiento [24, 25].

Las cenizas volantes (CV) y sedimentables (CS) son un subproducto común en las empresas generadoras de energía eléctrica que utilizan carbón. Actualmente se utiliza una parte de las mismas en la industria del cemento y como relleno de suelos. Un primer estudio se realizó para conocer la evolución con la temperatura de la densidad, la microestructura y la microdureza de compactos conformados a partir de estos dos tipos de cenizas [26]. Posteriormente un análisis similar se llevó a cabo sobre muestras obtenidas por prensado y sinterizado en el rango de 1200-1570ºC a partir de mezclas de cenizas volantes y alúmina [27]. Con la intención de incorporar las cenizas sedimentadas como materia prima en la industria cerámica, se analizó la densificación de mezclas mecánicas de las CV y CS [28].

Durante los procesos de explotación de minerales se producen grandes cantidades de descartes. En el caso del proceso de extracción del cobre, se estudió el comportamiento de sinterizado del material que queda descartado durante la obtención del metal, para lo cual


se realizaron diferentes tratamientos térmicos y se analizaron las dilatometrías realizadas sobre compactos conformados con este material [29]. En el caso de la explotación de carbón mineral, se ha estudiado la factibilidad de utilización de sus residuos como materia prima para la industria de la construcción [30, 31].

Los neumáticos en desuso, constituyen uno de los residuos compuestos (caucho, acero, fibras, aditivos orgánicos, entre otros) que realmente preocupan, debido a dos de sus principales características: su alto poder calorífico que hace que se quemen con facilidad, y su estabilidad química, que hace que no se degrade fácilmente en el ambiente. A esto debe agregarse el gran volumen que ocupa su disposición final, ya sea a cielo abierto o en rellenos sanitarios. Durante años se utilizó la incineración como alternativa para este tipo de residuos, pero este proceso produce emisiones contaminantes, tóxicas y nocivas para la salud humana y el ambiente, además de generar cenizas y productos de mayor toxicidad que el inicial. Así, se analizó la posibilidad de utilizar el caucho granulado como materia prima para la construcción, formando parte de carpetas de cemento para contrapisos [32].

Se han realizado investigaciones sobre lodos que se generan en los sistemas de captura (filtros) de los hornos de la industria siderúrgica. Todos los polvos estudiados presentan propiedades para ser utilizados como materiales de relleno en obras civiles y de la construcción. Se investigaron en particular lodos provenientes del alto horno, y se analizó la posibilidad de incorporar estos residuos en la fabricación de ladrillos artesanales [33, 34].

Descartes de aserrines provenientes de la materia prima (eucalipto) que se utiliza para fabricar tableros de fibra de madera han sido también analizados. Se han determinado las propiedades de este descarte, y en función de las características de los hornos ladrilleros artesanales de la región, se ha concluido que para obtener un ladrillo de buena calidad, adecuada porosidad, buena resistencia mecánica, térmica y acústica, lo óptimo es preparar una mezcla de arcilla, con un equilibrado contenido de aserrín que asegure la obtención en el producto final de las características mencionadas [35]. En este caso, el residuo agregado actúa como formador de poros, obteniéndose un ladrillo que responde a la tipología de ladrillo alivianado.

Las arenas de moldeo residuales del proceso de fundición de hierro, han sido estudiadas con el fin de utilizarlas como agregado en la fabricación de productos de cerámica roja (ladrillos y tejuelas) para uso en la industria de la construcción. Se obtuvieron cuerpos cerámicos a partir del diseño de mezclas con distintos porcentajes de residuos y distintas arcillas de uso común en la industria ladrillera, las cuales luego fueron conformadas y tratadas térmicamente, determinándose sus propiedades [36, 37].

En base a la experiencia adquirida por el grupo, en este trabajo se presenta una metodología general para la obtención de materiales cerámicos a partir de residuos industriales inertes o no especiales, que contempla las etapas posibles desde la recepción del residuo hasta la obtención del producto final. Es importante puntualizar que estos procesos de reciclado o reutilización de descartes industriales están contemplados dentro de los “Principios de Química Verde”, cumpliendo con varios de ellos, entre los que pueden mencionarse: i) el primer principio que establece la prevención de la producción de residuos de procesos que luego deben ser tratados o dispuestos, ii) el segundo principio que establece el diseño de productos seguros, iii) el cuarto principio que manifiesta la preferencia del uso de energías y materias primas renovables, e incorpora a los residuos de procesos como dichos materiales de partida, y finalmente, iv y v) los principios once y doce que establecen respectivamente el análisis en tiempo real de los potenciales contaminantes y la búsqueda de condiciones mínimas de polución, y la minimización del riesgo de accidentes industriales.


2. Metodología general propuesta

La metodología general de trabajo que se presenta a continuación está diseñada sobre la base de la experiencia adquirida durante el desarrollo de una gran diversidad de investigaciones con distintos descartes en estudio. Si bien se presentan de manera consecutiva algunas de las etapas mencionadas pueden llevarse a cabo de manera simultánea, en función de la disponibilidad de desarrollo.

2.1 Análisis del proceso productivo

Esta etapa inicial de trabajo tiene por objetivo conocer en detalle el origen del residuo de proceso (RP), a efectos de orientar la caracterización posterior y la búsqueda de afinidades con los materiales de construcción. Es fundamental conocer todas las etapas del proceso productivo por donde va atravesando el material, especialmente en lo que respecta a la posibilidad de variación de su composición química y a la incorporación de productos utilizados en ese proceso que podrían quedar como constituyentes, y en tal caso modificarían la tipificación del residuo. Es importante notar que se intenta trabajar con residuos inertes y no especiales, de forma que puedan ser utilizados tal como salen de la cadena productiva.

Por ejemplo, al estudiar distintos descartes provenientes de los procesos productivos de alto horno (AH) y acería (LD) de una industria siderúrgica, se ha observado que el contenido de Fe2O3 de los lodos LD es superior al 80 %. Analizando el proceso productivo se determinó que estos lodos pueden ser reutilizados en el proceso siderúrgico si se los conforma adecuadamente (briquetas) [33].

2.2 Caracterización del descarte industrial

Resulta conveniente que los ejes de caracterización recorran la identificación física, química, mineralógica, ambiental, entre otras. Cada una de estas áreas involucra un gran número de determinaciones, las cuales se pueden discutir en base a su intervención en nuevas mezclas y procesos, de tal forma que surjan como representativas de su vida en servicio. La incorporación de estos descartes a otros compuestos puede brindar aportes y mejoras al sistema en donde participen, o pueden desmejorar las propiedades del mismo. La afinidad entre los RP y los materiales intervinientes en el sistema completo de materias primas a utilizar, es una instancia central para determinar la factibilidad de su utilización. La sola identificación fisicoquímica del residuo puede orientar a las técnicas constructivas y tecnologías necesarias para el desarrollo de un producto.

Se recomiendan y describen brevemente a continuación diversas técnicas de análisis o caracterización muy útiles en esta etapa de conocimiento de los materiales de partida:

2.2.1 Análisis granulométrico y separación por tama ños de partícula

Este análisis consiste en determinar la distribución de tamaños de partícula presentes en el material con el fin de evaluar la utilización del mismo en las condiciones en que se encuentra en los depósitos o la necesidad de un proceso de molienda previo a su utilización. Se realiza con un banco vibratorio con superposición de tamices de mallas estandarizadas, que permite la separación de las partículas por su tamaño, y así puede calcularse el denominado “grado de finura” del material. Esto es de suma importancia ya que los conocimientos sobre los procesos de sinterización de materiales indican que existen relaciones óptimas de tamaños de partículas diferentes para lograr una mejor densificación y homogeneidad en el producto final [38, 39].


2.2.2 Análisis microestructural y químico semicuant itativo

Este estudio analiza la microestructura de la muestra de descarte mediante la utilización de técnicas microscópicas óptica y electrónica de barrido (SEM). El análisis químico semicuantitativo se realiza por análisis dispersivo de energía de rayos X (EDS) que permite la detección de los elementos presentes y da una composición elemental aproximada. Es importante tener en cuenta que con los detectores de última generación, esta técnica puede analizar el contenido de los elementos C (carbón) y O (oxígeno), lo que ayuda en el establecimiento de los compuestos presentes ya que es habitual que los materiales de descarte contengan importantes cantidades de carbón o materiales carbonosos como hidrocarburos por ejemplo, y presencia de varios de sus elementos en la forma de óxidos.

Como ejemplo, en la figura 1 se presenta el análisis morfológico realizado sobre muestras de estériles de la explotación del carbón por microscopía electrónica de barrido, junto al correspondiente análisis químico semicuantitativo realizado por EDS [30].

Figura 1. Micrografía SEM de descartes de la explotación de carbón. Análisis químico por EDS.

2.2.3 Identificación de fases cristalinas

Se analiza la presencia de fases cristalinas mediante la técnica de difracción de rayos X. Es habitual que este tipo de materiales presenten difractogramas muy complejos debido a la presencia de una gran cantidad de fases. Por ello normalmente se realiza el análisis de dichos espectros de difracción luego del análisis químico por EDS que resulta orientativo para la búsqueda de los espectros patrones que conduzcan a la identificación de las estructuras presentes en las muestras.

El difractograma de rayos X de un compuesto es considerado una verdadera huella digital del mismo. En estos casos de mezclas complejas la identificación de las fases presentes, es una técnica de gran ayuda para el posterior diseño de mezclas que conduzcan a materiales adecuados a su potencial uso. Se considera importante además realizar un estudio del comportamiento de estos materiales cuando son sometidos a tratamientos térmicos en un rango determinado de temperaturas. Por ello se recomienda el tratamiento de las muestras en polvo de los descartes desde temperatura ambiente hasta la temperatura de cocción, con análisis de difracción de rayos X cada 100ºC, con el fin de determinar las transformaciones de fases irreversibles que pueden sufrir los materiales originales.

El difractograma de rayos X obtenido de la muestra de estériles de la explotación del carbón, y analizado según tarjetas normadas ASTM, se presenta a modo de ejemplo en la figura 2. Este difractograma revela la presencia de tres fases cristalinas identificadas como 1, 2 y 3 en la gráfica. La fase 1 corresponde a SiO2 (pdf 87-2056), la fase 2 a Al2Si2O5(OH)4-caolinita (pdf 83-0971), y la fase 3 a K0,2Na0,8AlSi3O8-albita (pdf 83-2215) [30].


Figura 2. XRD de las muestras de estériles de la de la explotación de carbón.

2.2.4 Análisis de suspensiones: determinación de pH y contenido de compuestos solubles en agua

Este estudio se realiza formando una suspensión acuosa del material de descarte en concentraciones de aproximadamente 10% en peso (10 g de residuo en 100 ml de agua destilada). En primer lugar se realiza un tratamiento de secado del material de descarte a 100ºC durante dos horas. Este residuo seco es pesado con precisión antes de formar la suspensión. Al suspender este material en agua se obtiene una solución de los compuestos solubles y el resto de compuestos insolubles permanecen como sólidos suspendidos. Se procede luego al filtrado de la solución y al secado de los materiales retenidos. Por un lado se trabaja con la solución midiendo el pH de la misma que puede dar una aproximación del tipo de compuesto disuelto, y se elimina finalmente el agua para recuperar estos sólidos. Por otro lado se recuperan los materiales insolubles y se pesan para determinar por diferencia los compuestos solubles. Es importante utilizar en este ensayo el descarte tal como sale del proceso productivo y no obtenido de los depósitos a cielo abierto, ya que por acción de las lluvias la composición del material podría verse modificada.

La técnica de difracción de rayos X resulta útil para identificar las fases cristalinas presentes en las porciones solubles e insolubles de estos materiales. Este análisis se completa con ensayos de lixiviación de las materias primas de descarte según normas EPA.

Por ejemplo, en los ensayos de compuestos solubles de los lodos de alto horno, la tasa de sólidos en agua es de 0,30%. Los ensayos de lixiviado realizados sobre las probetas obtenidas, muestras densas de arcilla común (tierra) con porcentajes de lodos de 20%, 30%, y 40% en peso, demuestran que los elementos que lixivian en las materias primas sin tratamiento térmico, quedan retenidos en la estructura del ladrillo, o han sido transformados en otros compuestos durante el tratamiento térmico. Este hecho es fundamental desde el punto de vista ambiental [34].

2.2.5 Pérdida de peso por calcinación del residuo y análisis de emisiones

Este ensayo es importante desde el punto de vista del diseño de mezclas para el conformado de las piezas, y desde el punto de vista ambiental. En el primer caso, la pérdida de peso refleja la cantidad de material con posibilidad de combustión o desorción que posee el descarte industrial. Esto dará una estimación del grado de interacción posible del residuo con la matriz y de la capacidad de formación de poros que el residuo tiene. Desde el punto de vista ambiental es importante ya que la pérdida de peso está directamente relacionada con la emisión de gases que se produce durante el proceso de cocción. Este ensayo se


realiza habitualmente por tratamiento térmico a 800ºC durante tres horas, realizando el pesado de la muestra seca a temperatura ambiente, antes y después de la cocción. Durante el ensayo se analizan las emisiones gaseosas relacionando los distintos gases a las respectivas temperaturas. Los contaminantes analizados son CO, HC, NOx, SO2, y PM10.

Por ejemplo, durante el proceso de calcinación de las arenas residuales, se determinaron los contaminantes habitualmente estudiados en procesos de combustión [36], analizados teniendo en cuenta los estándares locales de calidad de aire [40]. El procedimiento de medición se realizó ubicando el equipo en la zona superior del horno, de manera de captar los gases emitidos, simulando un muestreo en chimenea. Las muestras en polvo de arena de moldeo se calcinaron hasta una temperatura de aproximadamente 1000ºC. Los contaminantes que podrían emitirse durante el proceso de cocción son los que provienen de los aditivos de proceso, de base hidrocarbonada. Se determinan emisiones pequeñas de HC y CO que presentan un máximo a una temperatura de aproximadamente 600ºC. Esto estaría indicando que los compuestos adicionados durante el proceso industrial y residuales en las arenas de molde se combustionan de manera incompleta a dicha temperatura. De todas formas los niveles determinados son puntuales y mucho más bajos que los establecidos por la normativa vigente. El análisis de PM10 realizado durante la cocción de la muestra presenta valores muy estables en todo el rango de temperaturas de tratamiento, del orden además de las determinaciones de referencia en blanco realizadas, lo que indica que este contaminante no se emite durante este proceso. Los valores máximos puntuales determinados de 0,075 mg/m3 se encuentran muy por debajo de los umbrales normados que establecen un valor de 0,150 mg/m3 como promedio de 24 horas.

2.3 Diseño de mezclas y conformado de cuerpos compa ctos

Con los resultados obtenidos de la caracterización de los descartes se está en condiciones de trabajar en el diseño de las muestras que resulten adecuadas a un uso potencial.

En primer lugar, en función de los tamaños de partícula determinados de las muestras originales se estudia la posibilidad de utilizar el material tal como se obtiene del proceso productivo. Esto es de gran importancia ya que lo que se busca es evitar etapas de molienda previa a la utilización, que si bien a nivel de laboratorio no son engorrosas ni costosas, si suelen serlo a nivel piloto o industrial. Si los tamaños de partículas y su distribución son los adecuados se utiliza la muestra original. En caso contrario se establecen las etapas de molienda y tamizado correspondientes hasta lograr las granulometrías adecuadas.

Luego deberá definirse si el descarte es utilizado sin agregados o si es necesario mezclarlo con otros compuestos, en relación por supuesto al uso que se dará al nuevo producto. Para ello, teniendo en cuenta los compuestos mayoritarios determinados en las etapas previas de caracterización de las muestras originales, se estudian los correspondientes diagramas de fases para establecer las temperaturas de sinterización probables, que en caso de diferir mucho respecto de las habitualmente utilizadas en las industrias, conducen al diseño de mezclas de descartes con otros compuestos que disminuyan o aumenten dichas temperaturas según el caso, y conduzcan a la obtención de productos aptos tanto para la producción como para su uso en servicio. Los compuestos que pueden agregarse en estos casos son diversos y dependerán de las composiciones originales del descarte. Por ejemplo pueden utilizarse sílice, alúmina, materiales silicoaluminosos, silicatos, cementos, arcillas, compuestos ricos en K, Na, etc.

Se recomienda el diseño de mezclas con las cantidades determinadas teóricamente, según lo explicado, y de otras muestras con un porcentaje mayor y otro inferior a esos valores establecidos, de manera de cubrir un rango de posibles composiciones, ya que las determinaciones teóricas se realizan con los componentes mayoritarios solamente, y este


tipo de descartes suelen tener una composición compleja. Algunos componentes minoritarios pueden variar de manera importante el comportamiento térmico del material.

Una vez establecidas las mezclas, se procede al proceso de conformado de los cuerpos compactos. Es en esta etapa donde se diferencian fundamentalmente la escala laboratorio de las escalas piloto o industrial. En los estudios a escala laboratorio se utilizan moldes rectangulares de dimensiones tales que respondan al producto final deseado, por ejemplo ladrillo, tejuela, etc., y se obtienen otras muestras que respeten la relación de dimensiones requeridas para los ensayos mecánicos a los que serán sometidos posteriormente al tratamiento térmico. La presión de conformado utilizada es de c.a. 50 MPa. El agregado de humedad a las muestras para lograr una buena compactación suele ser de 4 a 6 % aproximadamente cuando se parte de polvos secos. En los estudios a escala piloto o industrial, el proceso de conformado puede realizarse en iguales condiciones a las descriptas, o por compactaciones por extrusión o por vibrado en cuyo caso los contenidos de agua utilizados son bastante superiores (hasta 50%).

2.4 Determinación de temperaturas de sinterización. Tratamientos térmicos

Los compactos conformados son mantenidos en aire a temperatura ambiente hasta su introducción en el horno, donde se someterán a los tratamientos térmicos establecidos según lo explicado en el item anterior, y se determinarán las temperaturas de sinterización experimentales correspondientes a las mezclas.

2.5 Análisis de emisiones durante el tratamiento té rmico

Es importante tener en cuenta que tanto los materiales de descarte industriales como las materias primas tradicionales pueden tener en su composición importantes contenidos de compuestos orgánicos o inorgánicos que se queman o volatilizan desprendiéndose como emisiones del proceso, como se ha mencionado con anterioridad. Por ello, en una evaluación correcta de la factibilidad de utilización de un residuo industrial que previamente ha sido enmarcado en estas características, no debe faltar un análisis ambiental de contaminantes emitidos durante el tratamiento térmico de las muestras, en condiciones de cocción determinándose de manera similar a como se ha descrito en 2.2.5.

2.6 Caracterización de productos: materiales compac tos sinterizados

La caracterización de los productos obtenidos se realiza mediante una gran diversidad de técnicas que permitan establecer perfectamente la microestructura y propiedades de los mismos. Entre ellas pueden mencionarse: análisis microestructural, porosidad y absorción de agua, determinación de propiedades mecánicas, dilatación volumétrica permanente, etc.

2.6.1 Análisis microestructural

Se realiza el análisis de la microestructura de las muestras mediante microscopía óptica y electrónica de barrido. En esta última se estudian por un lado trozos del material que se ha roto ejerciendo fuerza de flexión, con el fin de determinar planos de corte preferenciales, y así observar la posible presencia de defectos en la microestructura. Por otro lado se realiza la preparación de las probetas mediante corte, embutido en resina, y pulido hasta superficie espejada, con el fin de revelar fases presentes.

Se utiliza la técnica EDS anexada a la observación SEM con el fin de determinar en las fases detectadas la presencia semicuantitativa de los distintos elementos. Estos además pueden observarse realizando mapeos de cada elemento.


Figura 3. Análisis SEM, EDS y mapeo elemental de muestra con incorporación de cenizas de girasol.

En la figura 3 se muestra una fotografía SEM de una probeta obtenida con incorporación de cenizas de girasol a arcilla, junto al análisis EDS de diferentes áreas observadas, y el correspondiente análisis de elementos.

Este análisis se completa utilizando la técnica de difracción de Rayos X sobre muestras en polvo, con partículas menores a 75µ, con el fin de determinar las fases cristalinas presentes.

2.6.2 Porosidad y Absorción de agua

Los ensayos para determinar la porosidad de las probetas se realizan según norma (IRAM 12510). Ésta establece los procedimientos para determinar la porosidad aparente, el porcentaje de absorción de agua y el peso específico aparente.

2.6.3 Determinación de resistencia mecánica: flexió n y compresión

Se realizan los ensayos de resistencia mecánica de las probetas mediante un equipo universal de ensayos mecánicos según las normas características para materiales cerámicos, pudiendo calcular así los módulos de rotura de los materiales que indicarán los posibles usos en servicio.

2.6.4 Análisis de microdureza superficial (Vickers)

Si bien no constituyen una de las técnicas habituales de caracterización, los análisis de microdureza de materiales de este tipo, formados por varias fases estructurales, resultan de gran ayuda ya que mediante el uso del microscopio pueden estudiarse las microdurezas de cada fase de manera separada, lo que puede conducir a determinar el tipo de estructura que le otorga mayor aporte a la resistencia final del material como un todo. Además mediante el análisis de las formas de las improntas producidas puede inferirse la tenacidad del material ante cargas puntuales recibidas.

2.6.5 Dilatación lineal y volumétrica permanente

Este ensayo comienza en realidad cuando se obtienen los cuerpos en verde. En esta etapa cuando las piezas se encuentran conformadas y secas se toman las medidas geométricas (alto, ancho y espesor) con calibre de precisión. Luego de los tratamientos térmicos correspondientes se repiten las mismas medidas sobre los cuerpos densos sinterizados ya enfriados a temperatura ambiente.


Con este ensayo se logra determinar la dilatación o contracción lineal experimentada por las probetas en las tres direcciones de manera permanente. Es importante este tipo de análisis ya que generalmente valores altos de variación se hallan en relación directa a la presencia de tensiones o puntos críticos de formación de grietas o fracturas. Por otro lado, valores pequeños de las dimensiones del material indican una mayor probabilidad de obtención de homogeneidad en los tamaños de los productos obtenidos.

2.7 Aptitud de los productos para usos específicos

En función de los resultados de las caracterizaciones realizadas se definen dentro de los usos potenciales de los productos obtenidos aquellos para los que presentan una mayor aptitud en servicio. Para ello se someten las piezas a los ensayos normados requeridos por los usuarios y que son habitualmente utilizados por las industrias de materiales de construcción para establecer la aptitud de sus productos.

3. Conclusiones

El presente trabajo presenta una metodología general para determinar la factibilidad de utilización de residuos de procesos industriales como materias primas en la producción de materiales cerámicos. Se establecen las etapas necesarias para una correcta evaluación de factibilidad, haciendo hincapié en la importancia de la determinación de la aptitud en servicio de los productos obtenidos así como en los factores ambientales involucrados en el proceso.

Es importante mencionar que estos procesos de reciclado o reutilización de materiales residuales de diferentes industrias están contemplados dentro de los “Principios de Química Verde”, cumpliendo con varios de ellos.

Un posible impacto ambiental negativo puede producirse durante el uso de estas tecnologías en relación con emisión de gases en caso de utilizar arcillas o residuos con contenidos de materia orgánica o compuestos volátiles adsorbidos, y si se utilizan hornos a gas, los correspondientes gases de combustión. Esto puede ser fácilmente analizado y controlado al igual que en la industria cerámica tradicional.

Respecto del riesgo de accidentes el uso de materiales sólidos en todo el proceso, y la utilización de agua como única fase líquida involucrada hace que esta tecnología de producción se constituya como una de las de mínimo riesgo potencial.

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[22] Quaranta N., Caligaris M., Camelli S., Zamboni L., Caligaris R. (1998) Piezas cerámicas a partir de vidrio de descarte con adición de alúmina, Actas IX Congreso Internacional de Cerámica y III del MERCOSUR de Cerámica, Vidrio y Refractarios, pp. 155-160.

[23] Quaranta N., Benavidez E. y Caligaris M. (1998) Uso de Aisladores Eléctricos de Descarte como Materia Prima de la Industria Cerámica, Anales Jornadas SAM’98 - IBEROMET V, pp. 805-808.

[24] Quaranta, N. Caligaris M. y Benavidez E. (1999) Sinterizado Inicial de Cerámicos Reprocesados, Anales Jornadas SAM’99, pp.239-243.


[25] Benavidez E., Caligaris M., Quaranta N. and Boccaccini A. (1999) Electric Companies Waste as a Ceramic Raw Material, Extended Abstracts 6th ECERS, Conference and Exhibition of the European Ceramic Society Vol. 1, pp.189-190.

[26] “Cenizas industriales: Utilización en materiales cerámicos”, N.E. Quaranta, S.H. Camelli, M.G. Caligaris y R.E. Caligaris. Second International Conference on Metallurgic and Materials Technology (San Pablo, Brasil, Octubre 1997).

[27] Quaranta N., Camelli S., Caligaris M., Benavidez E., Caligaris R., Boccaccini A.R., Kern H. (2000) Fabrication of Mullite Ceramics Using Fly Ash and Alumina,. EUROMAT 99` Vol.12: Ceramics - Processing, Reliability, Tribology and Wear (Ed. G. Müller): 184-188.

[28] Benavidez E., Grasselli C., Quaranta N. (2003) Densification of ashes from a thermal power plant, Ceramics International, 29 (1): 61-68.

[29] Quaranta N.E., Caligaris M.G., López H.A., Benavidez E.R., Caligaris R.E. (2002) Sintering of Wastes Powders from Copper Extraction Process, Proceedings Seventh ECERS Part 2, Key Engineering Materials Vols. 206-213, pp.871-874.

[30] Quaranta N., Caligaris M., López H., Unsen M., Carrasco M., Grether R., Suarez M., Beltramini L. (2006) Factibilidad de uso de residuos de la explotación de carbón en la producción de cuerpos densos, Actas del 4º Encuentro del Proyecto Integrador PROCQMA.

[31] Quaranta N., Caligaris M., López H., Unsen M., Carrasco M., Grether R., Suarez M., Beltramini L. (2007) Wastes from Coal Extraction Process as Raw Material for Construction Industry, Ecosystems and Sustainable Development VI, Transactions on Ecology and the Environment. 106: 483 – 492.

[32] Quaranta N., Caligaris M., López H., Regondi M. (2005) Cement Based Floors with Rubber Addition, Ecosystems and Sustainable Development V, Transactions on Ecology and the Environment. 81: 735 – 742.

[33] Quaranta N., Caligaris M., López H., Unsen M., Giansiracusa C. (2008) Blast furnaces’ mud: waste or a new by-product?, Waste Management and the Environment IV, Transactions on Ecology and the Environment. 109: 405 – 413.

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[35] Quaranta N., Caligaris M., López H., Unsen M. y Di Rienzo H. (2008) Adición de aserrines de descarte en la producción de mampuestos cerámicos, Actas del Octavo Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales, Chile.

[36] Quaranta N., Caligaris M., López H., Unsen M., Pasquini J., Lalla N., (2008) Reciclado de arenas residuales de fundición como sustituto de materias primas en la industria ladrillera, Actas del 6º Encuentro del Proyecto Integrador PROCQMA.

[37] Quaranta N., Caligaris M., López H., Unsen M., Pasquini J., Lalla N., Boccaccini A. Recycling of foundry sand residuals as aggregates in ceramic formulations for construction materials, Transactions on Ecology and the Environment, en prensa

[38] Kingery W., Bowen H., Uhlmann D., Introduction to Ceramics. Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. Ed., 1976.

[39] Singer F., Singer S., Cerámica industrial. Vol. 1. (9). Vol. 2 (10). Editoral Urmo, 1976.

[40] Decreto 3395/96, Ley 5965, modificado por resolución 242/97. Secretaría de Política Ambiental, actual Organismo Provincial de Desarrollo Sostenible. Argentina.

Inclusión de Residuos Industriales en La Producción de Materiales Cerámicos

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