UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO

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