BricktechEvaluación para la utilización de materiales de desecho en la produción de ladrillos. Caracterización petrofísica de nuevos productos y optimización de las condiciones de cocción

Resumen

El ladrillo es uno de los materiales de construcción tradicionales con orígenes más antiguos. Sin embargo, puede responder a los desafíos que hoy en día la investigación industrial plantea, es decir, el ahorro de energía, la reducción en los gastos de producción y la mejora en la calidad del producto final. Por otra parte, la creciente demanda de una producción sostenible ha focalizado la investigación hacía la elaboración de nuevos materiales que tengan en cuenta la salvaguardia del medio ambiente y del bienestar social. Un camino viable para lograr estos objetivos es la optimización en el uso de las materias primas, diseñando nuevos productos, tras la adición de materiales de desecho, procedentes de distintas actividades industriales e urbanas. La consolidación de una producción sostenible tiene un doble resultado ya que no sólo limita la explotación de nuevos geo-recursos, sino también resuelve, al menos en parte, el problema de la acumulación y gestión de los residuos, reevaluandolos como fuente secundaria de interés para la producción de materiales que favorezcan la protección del medio ambiente. Aunque en las últimas décadas numerosos estudios se han centrado en el uso de materiales de desecho como recursos alternativos para la producción de nuevos ladrillos, dando lugar en algunos casos a resultados alentadores, desafortunadamente la puesta en práctica de estos nuevos procedimientos en la industria ladrillera es todavía muy limitada, debido a la falta de entendimiento entre la investigación académica y las necesidades reales de la industria, a la carencia de normas específicas que evalúen las distintas fases del proceso productivo así como los productos cocidos y a una todavía limitada concienciación pública sobre los posibles recursos sostenibles. Otro aspecto a tener en cuenta en la producción de nuevos materiales es el mantenimiento de las características estéticas del material tradicional. El ladrillo, de hecho, al ser un material de construcción, debe respetar los parámetros de "compatibilidad cultural", entendida como el reconocimiento de la identidad territorial de una comunidad. Este aspecto tiene un valor aún mayor en el caso de materiales utilizados con función de integración o reemplazamiento para la recuperación y/o la restauración de edificios históricos dañados. Esta Tesis Doctoral pretende llenar el vacío por el escaso diálogo existente entre el mundo académico y la industria ladrillera, a través de una estrecha colaboración entre ambos sectores y el logro de objetivos comunes. Esto ha sido posible gracias al apoyo de una empresa líder en la producción de ladrillos tradicionales, la SanMarco-Terreal srl (Noale, Italia), que ha contribuido ofreciendo instrumentaciones, materias primas y la gran experiencia maturada en el sector. Las nuevas mezclas de materias primas y productos de desecho se han desarrollado de acuerdo con los objetivos del proyecto Horizon 2020 (https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/), teniendo en cuenta sobre todo el uso sostenible de los recursos naturales, la optimización de las condiciones de cocción, el reciclaje y control de emisiones con el fin de cumplir con la excelencia científica, los desafíos de la socieda y el liderazgo industrial. Por tanto, los objetivos principales de esta Tesis Doctoral han sido los siguientes: 1) relacionar las características mineralógicas y químicas con las propiedades físicas, mecánicas y de durabilidad de ladrillos que ya están en el mercado elaborados con diferentes materias primas arcillosas y cocidos a diferentes temperaturas; 2) estudiar el sistema poroso de los ladrillos industriales con el fin de obtener un conocimiento completo y fiable de los mismos y establecer un protocolo para la cuantificación y parametrización de las características morfológicas de los poros a través del uso combinado de métodos tradicionales y técnicas basadas sobre el análisis de imágenes según el tipo de materia prima utilizada y la temperatura de cocción alcanzada; 3) elaborar nuevos ladrillos tras la adición de residuos procedentes de la extracción en cantera de materiales pétreos y de la actividad industrial para la obtención de ladrillos nuevos que respecten el concepto de reciclaje y el uso sostenible de los recursos. El tipo de materiales de desechos utilizados en esta tesis han sido: i) traquita extraída en el área de los “Colli Euganei” (Vicenza, Italia); ii) lodo resultante de la industria cerámica. Los resultandos obtenitdo por el estudio de los ladrillos comerciales han confermado que las propiedades químico- mineralógicas, físico-mecánicas, la porosidad y la durabilidad, son altamente dependientes de la composición de la materia prima y de las temperaturas de cocción alcanzadas durante el proceso de producción, mientras aquellos sobre las nuevas mezclas han demostrado la posibilidad de obtener nuevos tipos de ladrillos, con material de desecho, haciendo frente a los nuevos objectivos para una industria sostenible y compatible. Más en detalle, los ladrillos comerciales cocidos a temperaturas superiores a 1050° C mostraron una mayor evolución mineralógica, con el crecimiento de nuevas fases silicaticas y una mayor fusión de la matriz, que ha comportado la mejoría del comportamiento mecánico. Por el contrario el ladrillo cocido 600°C mostra un buen comportamiento en las pruebas hídricas, pero tiene lo peor durante las pruebas de envejamento acelerado debido a su baja compacidad por la ausencia de la vitrificación ne la matriz y la baja evolución de nuevas fases. Se ha visto como el hausmannite utilizado cómo colorante (Mn3O4), causó cambios no sólo a su aspecto visual (color gris oscuro), sino también a sus propiedades mecánicas y en el sistema poroso, promovuendo el proceso de fusión. El estudio de la porosidad obtenida mediante el uso de diferentes técnicas permití de entender mejor las limitaciones de cada método de análisis y de conocer el sistema de poros de cada muestra en su complejidad. Los ladrillos fabricados con arcilla carbonática tienen la mayor cantidad de porosidad abierta debido a la decomposición de carbonato durante el proceso de cocción que aumentan la porosidad y la interconexión de los poros. Por otra parte, el aumento de las temperaturas de cocción los poros causò el cambio de la morfología con el desarrollo de los poros más grandes y redondos, debido a fuga de gas a esta temperatura. Por el contrario el ladrillo obetido por la arcilla menos carbonática y cocido a 600°C, la porosidad es muy diferente, los poros son menos homogéneo y más pequeño. La evaluación de la influencia de la utilización de material de desecho para la producción de ladrillos en los dos casos experimentales de estudio i) la adición de trachyte excavación (5, 10, 15% en peso.) y 2) la adición del lodo cerámico (10% en peso) los resultados fueron positivos con el fin de identificar posibles "alternativas sostenibles" a los ladrillos actualmente en comercio. Un alto contenido de trachyte disminuye el punto de fusión debido a la presencia de feldespatos alcalinos, que actúan como agentes fundentes. Eso efecto es probado en diferentes puntos de vista, con el aumento de la conexión entre los granos y un desarrollo de una matriz más compacto en correspondencia de la traquita, la creciente de la densidad, y por la evolución de la textura y el sistema de poros ya que no solo al aumentar la temperatura pero tambien por el contenido de traquita, con los poros se hacen más grandes y redondos. La correlación entre la resistencia y ambas temperaturas de cocción y el contenido trachyte es evidente especialmente para resistencia a la compresión uniaxial, que es dipendente a el aumento de la compacidad debido a la acción de fusión promovida por los feldespatos de la trachyte. Más contenido traquita reduce la transmisión de calor como evidenciado de la evaluación del comportamiento térmico realizada por imágenes infrarrojas, sólo cuando se alcanza el alto nivel de sinterización (con el ladrillo con 15% traquita cocido a 1100 ° C), la transmisión de calor es más rápida. La buena respuesta a las condiciones de estrés (congelación-descongelación y la cristalización de la sal) y la falta de una fuerte diferencia entre las muestras de prueba que trachyte bien puede ser considerado como un material alternativo para sustituir materiales con tambien beneficios gracias por agir como agente fundente y por el recurso de nuevos materiales: por exemplo con ladrillos cocidos a 900°C (temperatura inferior a la actuamente utilizata por la fabrica) y que contengan más del 10% de arena como degrasante. También el uso de lodo de la industria cerámica demostró resultados satisfactorios. Las pruebas de colorimetría mostraron que el ladrillo con el lodo mantiene una apariencia estética similar al ladrillo amarillo en el comercio, lo que sugiere que por su color es compatible para una sustitution. Los de compresión uniaxial y de ultrasonidos mostraron comporamiento mecánico muy similar a lo de ladrillo comercial amarillo que indica también mantenimiento de las propiedades mecánicas. Desde el punto di vista de la durabilidad el ladrillo obtenido con la adición mostró la respuesta más débil bajo condiciones de congelación-descongelación, con un decaimiento progresivo hasta la desintegración total al final de la prueba, mientras que durante la cristalización de sales probar el ladrillo con lodos mantuvo su apariencia casi no dañado. Esto sugiere que esa nueva mezcla puede ser sustituto válido del ladrillo comercial por sus propiedades mecánicas y fisicasy por sus cualidades estéticas, pero no puede utilization en edificios situados en la situación medioambientales donde por el tipo de clima son posibles ciclos de congelación-descongelación. Esta Tesis Doctoral representa un antecedente fundamental para abordar la mejora de los ladrillos tradicionales de una manera sostenible y permitir su evaluación, en términos de calidad y durabilidad, de las mezclas experimentales obtenidas tras la adición de materiales reciclados. Ambos residuos han demostrado ser una alternativa viable en la obtención de nuevos ladrillos de interés para la mejora del sector industrial, en términos de ahorro de explotación de los geo-recursos, energía y gastos. Es, además un ejemplo de cómo el mundo universitario e la industria pueden colaborar siguendo objetivos comunes.