Evaluación de escorias de córdoba para su utilización en la industria del cemento Portland

Abstract

Resumen: Las escorias junto con las puzolanas son materiales suplementarios del cemento Portland, lo cual significa que pueden sustituir o ser adicionadas al cemento. Su uso conduce a una disminución en las emisiones de gases de efectos de invernadero emitidos durante la descarbonatación en la etapa de clinkerización en el proceso productivo del cemento; disminuyen el consumo energético debido a que las adiciones sustituyen Clinker que se procesa a temperaturas de hasta 1500° C y los costos productivos pues la tonelada de clínker es más costosa que la tonelada de escoria o puzolanas. Cementos Argos S.A. busca e investiga adiciones que sean óptimas como materiales suplementarios por lo que apoya investigaciones como ésta concluida. En la presente investigación se estudiaron tres tipos de escoria (EHE, ERE y ERF) de una empresa metalúrgica de Córdoba. Se desarrollaron ensayos tendientes a determinar las principales características de las escorias provenientes de la mencionada industria metalúrgica para evaluar su posible uso como adición en el cemento Portland desde la perspectiva puzolánica e hidráulica latente. Se realizaron estudios de caracterización de dichos materiales para evaluar las condiciones químicas, físicas y mineralógicas que debe cumplir una escoria para determinar su capacidad hidráulica y/o puzolánica. Posteriormente se realizó el estudio de sus efectos en las mezclas con cemento en pastas y morteros con diferentes porcentajes de sustitución. Para verificar la naturaleza puzolánica, se aplicaron técnica de avanzadas de caracterización de materiales como microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (XRD), termogravimetría (DTG/DSC) y microcalorimetría. Estos últimos se realizaron para alcanzar un mejor entendimiento de los productos de hidratación. Se encontró que las escorias ERE y EHE son aptas para su uso como puzolanas aunque no alcanzan a tener una alta reactividad a pesar de ser silicoaluminosas y de tener una estructura amorfa según los ensayos de XRF (fluorescencia de rayos x) y XRD. Adicionalmente, estas escorias mejoran la hidratación del cemento como mezclas binarias, aunque no tengan una alta reducción del contenido de portlandita a edades como los 28, 56 y 90 días. Dicha reacción fue validada según los resultados obtenidos por microscopía electrónica y DTG/DSC. A pesar de que su desempeño aceptable, es necesario revisar bajo la normativa las restricciones con el óxido de magnesio pues la adición de estas dos escorias, podría no permitir su uso como cemento Portland. En cuanto al análisis químico de la escoria ERF, se encontró que tiene químicamente una composición que la hace apta para ser usada como escoria de alto horno. Desafortunadamente, se encontró que presenta alto riesgo para la durabilidad de los productos que se elaboren con dichos cementos pues tienen alto álcalis para la reacción álcalis sílice y presencia de periclasa expansiva. Adicionalmente la escoria ERF afecta el tiempo inicial de fraguado, dejándolo por fuera de la normativa que regula la producción de cemento en Colombia. Finalmente se concluyó que las escorias EHE y ERE pueden ser sustituidas sin afectar significativamente las resistencias del cemento patrón en porcentajes del 5% y 10%. Por otra parte se concluyó que si se realizan porcentajes de sustitución superiores al 30%, se alcanzarán resistencias mecánicas suficientes para cumplir con la normativa vigente para cemento tipo I en la ASTM C109

Abstract: Slags and pozzolans are supplementary materials for Portland cement, which means they can replace partially or be added to cement. Their use leads to a reduction in greenhouse – gas emissions during decarbonation in the clinkering stage in the cement production process; It decreases energy consumption due to the fact that the additions replace the Clinker, which is processed at temperatures of up to 1500°C, and the productive costs per ton of Clinker are greater than the ton of slag or pozzolans. Cementos Argos S.A. is searching for additions that are optimal as supplementary materials, therefore supports research like this. In this research, we studied three (3) types of slag (EHE, ERE and ERF) from a metallurgical company in the Department of Córdoba, Colombia. In this study, the tests aimed at identifying the main characteristics of the slag from this metallurgical industry to evaluate its possible use as an addition in Portland cement from a pozzolanic and latent hydraulic perspective. Characterization studies were conducted on these materials to evaluate the chemical, physical and mineralogical properties slag must meet to determine its hydraulic and/or pozzolanic capability. Subsequently, we conducted a study of its effects in mixtures with cement pastes and mortars with different percentages of replacement. To verify the pozzolanic nature, advanced materials characterization techniques were applied; these included the scanning electron microscopy (SEM), X Ray diffraction (XRD), differential thermogravimetric analysis (DTG / DSC) and microcalorimetry. The latter were made to achieve a better understanding of the hydration products. It was found that the ERE and EHE slags are suitable for use as pozzolans, although they failed to have a high reactivity, despite being siliceous and aluminous and having an amorphous structure according to the X – ray fluorescence (XFR) and XRD diffraction. Additionally, these slags improved cement hydration as binary mixtures, even without a high reduction of the Portland content at ages such as 28, 56 and 90 days. This reaction was validated according to the results obtained by electron microscopy and DTG / DSC. In spite of its acceptable performance, it is necessary to revise regulations for the restrictions with magnesium oxide, since the addition of these two (2) slags could not permit the use in Portland cement. Based on the chemical analysis results of the ERF slag, its suitability to be used as Hydraulic was established. Unfortunately, its use represents a high risk for the durability of the products that are elaborated with these cements, since they have high alkali for alkali – silica reactions and the presence of periclase. Additionally, ERF slag affects the initial setting time, leaving it out of the regulations regarding the production of cement in Colombia. Finally, it was concluded that the EHE and ERE slags can be used as supplementary materials without significantly affecting the resistances of the reference cement in percentages of five percent (5%) and ten percent (10%). Furthermore, it was concluded that if substitutions were made at percentages of more than 30%, sufficient mechanical strength would be attained to meet current regulations for type I cement in ASTM C109