material de desecho de la explotacion de carbon para

%MATERIAL DE DESECHO DE LA EXPLOTACION DE CARBON PARA DISMINUIR EL EFECTO
CORROSIVO EN TUBERIAS DE CONCRETO PARA DRENAJE DE AGUAS RESIDUALES.
López Rodríguez Abraham(1), Gutierrez Gonzalez Edixon C(2)
Univ. Nacional Experimental “ Francisco de Miranda” Decanato de Tecnología, Coro - Falcon - Venezuela.
(2)
Univ. del Zulia. Fac. de Ingeniería. Maracaibo, Edo. Zulia. Venezuela.
(1)
RESUMEN.
Las tuberías de concreto han sido ampliamente utilizados para la conducción de aguas residuales. Estas
sufren un proceso de deterioro debido al efecto corrosivo que generan los productos de la actividad
microbiana en la estabilización de la materia orgánica . La vulnerabilidad química del concreto hace
necesario mejorar sus propiedades al efecto corrosivo mencionado. En el estado Falcon Venezuela se han
detectado materiales arcilloso con presunta actividad puzolanica. El objetivo del trabajo, es incorporar al
concreto estos materiales producto de desecho de la explotación del carbón. Se elaboraron mezclas con
sustitución de cemento portland por el material en estudio y se sometieron a condiciones criticas de ataque
químico por ácido sulfúrico. Los especímenes que contenían el material en estudio incrementaron su
resistencia a la compresión en 16 y 25 %. mientras los especímenes sin el material la redujeron en un 8 y 6
%. En el estudio se verifico que la composición química del material corresponde a una puzolana natural.
El índice de actividad puzolanico fue satisfactorio según ( ASTM C-311). La incorporación del material
mantiene e incrementa la resistencia a la compresión de los especímenes bajo el ataque químico de
soluciones de ácido sulfúrico, alargando la vida útil de las mezclas para la fabricación de tuberías. Se
sugiere, cuantificar las reservas del material e incluir su aprovechamiento como medida mitigante a los
efectos ambientales de la explotación carbonífera.
Palabras clave: puzolanas, concreto, tuberías, cloacas, aguas residuales, thiobacillus thioxidans, concretos
sulfatoresistentes, resistencia a la compresión, saneamiento ambiental, desechos, corrosión
INTRODUCCION.
Los sistemas de cloacas son obras de saneamiento ambiental que garantizan el manejo de las aguas
residuales de ciudades y poblaciones. Las tuberías de concreto han sido ampliamente usadas en la
conducción de esas aguas. Cuando las velocidades de flujo están por debajo de 0,60 m/s, ocurre la
sedimentacion de sólidos orgánicos e inorgánicos que contienen sulfatos ,etc. Este material sufre una
digestión por bacterias anaerobias ( Desulfovibrio desulfuricans ) o facultativas, que los reducen a sulfuros.
Los sulfuros se presentan en el agua residual como sulfuros solubles e insolubles . Los solubles como el
sulfuro de hidrogeno escapan del liquido residual pasando a ocupar el espacio disponible en la tubería
parcialmente llena. En presencia de bacterias especificas (Thiobacillus Thioxidans), el sulfuro de hidrogeno
que escapa del liquido residual puede ser oxidado y condensado en forma de ácido sulfúrico sobre las
paredes y en el intrado de las tuberías. Este ácido penetra los poros del concreto reduciendo su basicidad y
cohesión produciendo un debilitamiento progresivo y el colapso del colector . Varios han sido los enfoques
dados para atacar el problema. En el presente trabajo, se busca mejorar las características físico químicas
de las mezclas de concreto a fin de construir tuberías de mayor resistencia y vida útil ante el efecto agresivo
descrito. En la región centro occidental del estado Falcon Venezuela, adyacente a yacimientos carboníferos
se han detectado materiales arcillosos consolidados que presumen características químicas de puzolana
Natural. Las puzolanas son un material siliceo o sílice y aluminio el cual por si mismo posee poco o ningún
valor cementante, pero finamente molido y en presencia de humedad reacciona químicamente con el
hidróxido de calcio a temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes que
ayudan a mejorar entre otras propiedades la resistencia a la compresión y la resistencia química en
ambientes agresivos. En este trabajo se caracteriza el material en estudio y se verifica su comportamiento
incorporándolo a mezclas de concreto para la fabricación de tuberías. El incremento de la resistencia a la
compresión, la apariencia y grado de deterioro de los especímenes sometidos a un medio agresivo de ácido
sulfúrico es el esquema básico utilizado para la evaluación. de las mezclas ensayadas.
1
METODOLOGIA.
La metodología seleccionada incluye la medición progresiva de las resistencias mecánicas y el examen de los
desperfectos sufridos por probetas cúbicas de concreto sometidas a diferentes condiciones de agresividad en
soluciones de ácido sulfúrico. A fin de cubrir este procedimiento se cumplieron los pasos siguientes:
Caracterización de los Materiales. El material en estudio ( Porcelanita.). se pulverizo hasta lograr una finura similar
a la del cemento portland.(retenido en el tamiz # 325 igual a 20% +/- 2) de acuerdo a la norma ASTM C 430. Para
determinar el Peso Específico, se utilizó la técnica de la botella de Le Chatellier. La composición química se
determino mediante la técnica de difracción de rayos X, ( espectrometro por fluorescencia de rayos X) y el Índice de
Actividad Puzolanica con Cemento Portland, se realizó de acuerdo al método ASTM C - 311. El Cemento Portland
Tipo I, fue caracterizado químicamente mediante la técnica de fluorescencia de rayos x, y los componentes del
cemento estimados por las relaciones de Bogue. Se utilizó arena que satisface los requerimientos normativos para
la fabricación de tuberías según las Normas Venezolanas INOS Cl-C-65. En base a las proporciones normalmente
utilizadas en la fabricación de tuberías, se prepararon cuatro mezclas diferentes que se agruparon de la siguiente
manera: Grupo 0 % , Probetas fabricadas de acuerdo a las proporciones convencionales, utilizando como material
cementante solamente Cemento Portland. Grupo 20 %., 25% ,30%. se fabricaron sustituyendo cemento portland
de la dosificación del grupo 0%, en un 20, 25 y 30 por ciento del material a ensayar. Las cantidades de agua
utilizada en las mezclas se determinarón previamente por ensayos de flujo de acuerdo a la norma ASTM . La
fabricación y moldeo de las probetas de ensayo se realizó por grupos y de acuerdo a la norma ASTM C 109. Los
especimenes fueron sometidos a un curado por inmersión en agua durante 28 días,. posteriormente se sometieron
las probetas de todos los grupos a las condiciones severas de ataque químico. El medio agresivo a utilizar ,
consistio en una solución de ácido sulfúrico de 20.000 ppm de concentracion definida en una prueba preliminar
donde se sumergierón probetas de concreto convencional en soluciones desde 5000 a 50.000 ppm. En esta se
evidenció que para concentraciones mayores a 20.000 ppm el deterioro se produce rapidamente lo que no
permitiría observar la variación de las resistencias mecánicas en lapsos razonables de tiempo. Los ensayos
definitivos consistieron en la realizacion de dos experiencias,( nebulización e inmersion de especimenes en
soluciones de acido sulfurico). La prueba de inmersion, consistió en sumergir probetas de los diferentes grupos
en una solucion de acido sulfurico a 20.000 ppm de concentracion por un lapso de 70 dias. De igual manera se
sumergierón probetas similares en agua destilada, a fin de establecer comparaciones en el comportamiento de los
grupos de especímenes . El comportamiento mecánico de los especímenes se reralizo bajo las pruebas de
resistencia a la compresión segun la norma ASTM C 109 - 90 . La prueba de nebulizacion, consistió en
mantener los especimenes bajo una condicion de agresividad constante, para ello se utilizó una camara salina
bajo especificacion ASTM B 117-73 a la cual se hicieron algunas adaptaciones a fin de poder producir en su
interior una neblina de ácido sulfúrico, que permitiese nebulizar de forma constante los especimenes de prueba por
un tiempo aproximado de setenta dias. De igual manera se mantuvieron por el mismo lapso de tiempo
especimenes sumergidos en agua de curado ,a fin de establecer las comparaciones respectivas. Una vez retirados
los especimenes de las condiciones agresivas impuestas en cada prueba ( seleccion simple sin reemplazo para
cada grupo ), se procedio a realizar una evaluacion de la apariencia y grado de deterioro, mediante inspeccion
visual donde se evaluaron aspectos tales como: Aparición de manchas en la superficie, desprendimiento de
material, agrietamiento , perdida de la forma y estado de las aristas de las probetas . Concluida la inspeccion
visual se procedio a la determinación de la resistencia a la compresión para cada especimen , de cada grupo
para la condicion agresiva impuesta . Los lapsos de tiempo establecidos para la evaluacion fueron de 7, 14, 28.
49, 70 dias de exposicion al ambiente agresivo .
RESULTADOS Y DISCUSION
La gravedad especifica del material arrojo un resultado de 2.66 gr/cm3. El indice de actividad puzolanico con
cemento portland para el material en estudio fue de 79,51 % el cual es satisfactorio debido a que el valor limite
que define el comportamiento de puzolana es de 75 % establecido por las normas ASTM C 311. La composicion
quimica del material en estudio ( porcelanita ) indica que los valores para cada especie quimica reportada
corresponden a los limites definidos para ser clasificada como una puzolana natural. ASTM C 618. Esto lo
podemos apreciar en el cuadro #1 . No obstante es aconsejable evaluar las caracteristicas de la puzolana en
el producto terminado.
2
CUADRO # 1
RESULTADOS DEL ANALISIIS QU IMICO Y RANGOS TIPICOS DE PUZOLANA .
Elementos presentes.
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO NaO K2O SO3 PR.
52.86
17.05
2.39
0.44
0.71
0.28 0.85 0.13
1.48
Analisis quimico del Material ( Porcelanita) *
Rango de variacion de la composicion tipica de 49-71 11-12
1-10
0-7
0-3
2
9
0-0.3 3-11
puzolana natural. ( % ). **
minimo 70 %
5%
15 % maximo
4%
8%
Requerimientos quimicos de puzolana.**
max
max
max
FUENTE: * EL AUTOR. ** Tomas C Ireland, Quimica de las puzolanas y del proceso puzolanico. Ponencia presentada a la Asociacion
Venezolana de Productores de Cemento. Agosto 17, 1.981.
Las graficas #1, #2 y #3 muestran el comportamiento de la resistencia a la compresion de los especimenes
de prueba bajo el efecto agresivo a las condiciones de ensayo. El grafico # 1. muestra el comportamiento
que sigue la resistencia a la compresion de los especimenes sumergidos en solucion de acido sulfurico de
concentracion 20.000 ppm, a diferentes tiempos de exposicion. Podemos notar que los especimenes
fabricados sin la inclusion del material en estudio, sufre una reducción de la resitencia mecanica a partir
de los 28 dias de exposicion, mientras, las probetas donde se incluyo el material, incrementan y mantienen
la resistencia a la compresion para cualquiera de los porcentajes ensayado. El grafico #2 nos permite
visualizar el comportamiento de los especimenes sumergidos en agua destilada donde todos
experimentaron un incremento en la resistencia. La sustitucion de cemento por el material en estudio
tiende a lograr resistencias mayores a las obtenidas de los especimenes fabricados solo con cemento
portland, esto nos demuestra que la inclusion del materialen estudio si representa un efecto positivo en el
incremento de la resistencia a la compresion. En el grafico #3 se presenta el comportamiento de los
especimenes nebulizados con neblina de acido sulfurico a concentracion constante, podemos notar un
comportamiento muy similar a los especimenes sometidos a la prueba de inmersion , lo que ratifica el
comportamiento de las mezclas bajo el ambiente agresivo , notandose la mayor vulnerabilidad de las
probetas fabricadas con la mezcla de concreto convencional utilizada en la fabricacion de tuberias. El
desarrollo de las resistencias mecanicas del concreto dependen del proceso de hidratacion del cemento y del
ambiente al cual este sometido. La solucion acida ataca principalmente a la cal proveniente del proceso de
hidratacion del cemento, generando compuestos expansivos que disgregan los especimenes y reducen su
resistencia a la compresion , como se puede notar en las probetas confeccionadas solo con cemento
portland. La incorporacion del material en estudio a las mezclas de concreto, proporciona oxido de silicio
que reacciona con la cal libre producto del proceso de hidratacion del cemento formando compuestos
estables a la accion quimica del medio lo que permite una mayor cohesion en la mezcla y por ende el
incremento y mantenimiento de la resistencia mecanica por mas tiempo que la mezcla convencional.
GRAFICO #1.
VARIACION DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESION DE
PROBETAS SUMERGIDAS EN ACIDO SULFURICO 20000 ppm.
RESISTENCIA A LA
COMPRESION ( Kg/cm )
300
280
0%
260
20%
25%
240
30%
220
200
180
160
140
0
7
14
21
28
35
42
49
DIAS DE INMERSION
3
56
63
70
GRAFICO #2.
VARIACION DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESION DE
PROBETAS SUMERGIDAS EN AGUA DESTILADA.
340
RESISTENCIA A LA
COMPRESION ( Kg/cm )
320
0%
300
20%
280
25%
260
30%
240
220
200
180
160
140
0
7
14
21
28
35
42
49
56
63
70
DIAS DE INMERSION
GRAFICO #3.
VARIACION DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESION DE
PROBETAS NEBULIZADAS CON ACIDO SULFURICO 20.000 ppm..
340
RESISTENCIA A LA
COMPRESION ( Kg/cm )
320
0%
20%
300
25%
30%
280
260
240
220
200
0
7
14
21
28
35
42
49
56
63
70
DIAS DE INMERSION
CONCLUSIONES .
Se concluye que el material en estudio es una puzolana natural. Incrementa y mantiene la resistencia a la
compresion de mezclas de concreto bajo condiciones agresivas de ataque quimico por soluciones de acido
sulfurico. Incrementa la vida util de las mezclas por lo que se recomienda para la fabricacion de tuberias de
concreto en la conduccion de aguas residuales. se concluye ademas, que su aprovechamiento debe ser
incluido como una medida mitigante a los efectos ambientales negativos de la extraccion del carbon.
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REFERENCIAS.
- 1.990 Annual Book of ASTM standards , Vol 04 .01. Cement ...
- 1.990 Annual Book of ASTM standards , Vol 04 .02. Concrete and Agregates
- Normas I.N.O.S CL-C-65. Especificaciones para tuberias de cloacas. 1.965.
- Carl R Wilder and Ralph E Spears.Concrete for Sanitary Engineering Structures. Concrete
International. A.C.I. April. 1.981 Vol. 3. N-4.
- Hydrotop. 94. Colloque Scientific et Technique International / Hydrotop Avril 1.994 . Marsella
Francia.
- Biczovk, Imre. Concrete corrossion and protection. / Imre Biczovk. New York : Chemical - Publishing
Company Inc. 1964. 345 p.
- Tomas C Ireland, Quimica de las puzolanas y del proceso puzolanico. Ponencia presentada a la
Asociacion Venezolana de Productores de Cemento. Agosto 17, 1.981.
- Arocha, Simón. Cloacas y drenajes / Simón Arocha. Caracas : Ediciones Vega. 1983. 255 p.
- Giuseppe Frigione et all, The action of same agressive solution on portland, puzzolanic and
blastfurnace slag cements and mortars. Cement and Concrete Research. Vol 19, pp 885-893, 1.989.
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