inclusión de residuos industriales en la producción de

II Simposio Iberoamericano de 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]
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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
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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.
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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 tamaños 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].
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2.2.2 Análisis microestructural y químico semicuantitativo
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].
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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
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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 compactos
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
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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 térmico
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 compactos 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.
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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: flexión 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.
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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.
4. Referencias
[1] Castells X.E., Reciclaje de Residuos Industriales. Aplicación a la Fabricación de
Materiales para la Construcción. Ediciones Días De Santos S.A., Madrid, España, 2000.
[2] Amritphale S.S., Patel M. (1987) Utilization of red mud and fly ash for manufacturing
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[3] Vieira C., Andrade P., Maciel G., Vernilli F., Monteiro S. (2006) Incorporation of fine steel
sludge waste into red ceramic, Materials Science and Engineering A, 427: 142-147.
[4] Diaz C., Gracia H., Zayas M., Espinoza F., Valle Fuentes F. (2000) Producing optical
glass with geothermal waste, Am. Ceram. Soc. Bull, March: 57-60.
[5] Francis A., Rawlings R., Sweeney R., Boccaccini A. (2002) Processing of coal ash into
glass ceramic products by powder technology and sintering, Glass Technol, 43 (2): 58-62.
[6] Ruiz Román J., Alonso Santos C., Cambronero L., Corpas F., Alfonso M., Moraño A.
(2000) Aprovechamiento de cenizas volantes, clase F, de centrales térmicas para la
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[40] Decreto 3395/96, Ley 5965, modificado por resolución 242/97. Secretaría de Política
Ambiental, actual Organismo Provincial de Desarrollo Sostenible. Argentina.