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1. WO2014147282 - RESIDUO CERÁMICO UTIL PARA LA ELABORACIÓN DE CEMENTOS, PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN Y CEMENTOS QUE LO COMPRENDE

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RESIDUO CERÁMICO UTIL PARA LA ELABORACIÓN DE CEMENTOS. PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN Y CEMENTOS QUE LO COMPRENDE

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se enmarca en el sector de la construcción, y más concretamente en la industria cementera, que forzada por una previsible disminución de los materiales utilizados actualmente demandará de productos alternativos, que presenten ventajas tecnológicas, medioambientales y económicas viables para el sector.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Los residuos de construcción y demolición (RCD) incluyen diferentes materiales, entre los que destacan por su cantidad, los ladrillos, azulejos y otros materiales cerámicos, pues representan más de la mitad del total de este tipo de residuos.

En el proceso de fabricación de los productos cerámicos se utilizan, como materia prima, materiales naturales, que contienen una proporción elevada de minerales arcillosos, los cuales mediante un proceso de deshidratación, seguido de otro de cocción controlada a temperaturas entre 700°C y 1000°C adquieren sus propiedades características de "arcilla cocida".

La incorporación de materiales procedentes de estos residuos de construcción y demolición en la fabricación de cementos permitiría introducir el concepto de sostenibilidad en el sector de la construcción, sector que tradicionalmente es considerado como poco respetuoso con el medio ambiente, estando en consonancia de este modo con las políticas europeas y nacionales de desarrollo sostenible.

En la presente invención se describe un nuevo uso de estos residuos cerámicos para la elaboración de cementos.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la invención lo constituye un residuo cerámico útil para la elaboración de cementos caracterizado por que comprende al menos un 20% de material cerámico procedente de residuos de la construcción y demolición o de fabricación, que posee una actividad puzolánica y una granulometría adecuada (se busca la optimización del proceso aplicando los materiales de menor granulometría, para facilitar una posterior molienda).

Otro objeto de la invención es el procedimiento de obtención del residuo cerámico de la invención que comprende las siguientes etapas:

a) recogida de residuos de partida directamente en las plantas de reciclaje y gestión de residuos de construcción y demolición (Plantas de reciclado de RCD) o de plantas de fabricación,

b) selección de los residuos de a) para que exista al menos un 20% de contenido cerámico,

c) secado del residuo de b) en una estufa a 105°C hasta peso constante,

d) trituración o molienda del residuo de c) el tiempo necesario para obtener un tamaño inferior a 63 μιη, y

e) tamizado del residuo de d) con un tamiz de 63 μιη para obtener el residuo cerámico.

Otro objeto de la invención lo constituye el cemento, en adelante cemento de la invención, que comprende el residuo cerámico de la invención como componente en dicho cemento en un porcentaje de entre un 0.1 % y un 55%.

En una realización preferente de la invención el cemento comprende el residuo cerámico como componente principal en dicho cemento en un porcentaje de entre un 6% y un 55%.

En otra realización preferente de la invención el cemento comprende el residuo cerámico como componente minoritario adicional en dicho cemento en un porcentaje de entre un 0.1 % y un 5%.

Otro objeto de la invención es el procedimiento de obtención del cemento de la invención, en adelante procedimiento de la invención, que comprende las siguientes etapas:

a) mezcla del residuo cerámico de la invención con un cemento en una proporción entre 0.1 % y 55% hasta garantizar una correcta homogeneización, y

b) almacenamiento de la mezcla de a) en un lugar estanco para evitar la carbonatación y humectación de las mismas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

La presente invención se basa en que se ha observado que a partir de residuos de construcción y demolición (RCD) (Figura 1 ) es posible obtener un residuo cerámico que actúa como un material puzolánico útil como aditivo para la elaboración de cementos cuando contiene al menos un 20% de este residuo cerámico y cuando se prepara como un producto homogéneo, con una tamaño de grano fino inferior a 63 μιη (tamaño de partícula similar al cemento) (Figura 2). Estos residuos cerámicos se pueden obtener de plantas de reciclaje de residuos de construcción y demolición y de fábricas de los mismos y pueden ofrecer de este modo una salida comercial a este material de desecho.

Este residuo cerámico (Figura 2), se introduce en los cementos como componente principal (6-55% en masa) y se encuadra dentro de puzolanas naturales calcinadas (Q) y también como componente minoritario (porcentajes inferiores al 5% en masa), siempre que no esté incluido ya como componente mayoritario. Con este producto se pueden obtener, en función de las dosificaciones realizadas, distintos tipos de cementos.

Los residuos cerámicos descritos en la presente invención que proceden de residuos de construcción y demolición pueden ser considerados como puzolanas naturales calcinadas, donde según la norma UNE-EN 197-1 :201 1 (Norma Española UNE-EN 197-1 :201 1 "Cemento. Parte 1: Composición, especificaciones y criterios de conformidad de los cementos comunes", Diciembre de 201 1 ), se definen puzolanas naturales calcinadas (Q) como materiales de origen volcánico, arcillas, pizarras o rocas sedimentarias activadas por tratamientos térmicos y conformes con el apartado 5.2.3.1 . (Generalidades de materiales puzolánicos P, Q).

De esta manera y de acuerdo a la norma UNE-EN 197-1 :201 1 , podrían ser empleados como componente principal (porcentajes superiores al 5% en masa) en la fabricación de cementos CEM ll/A-Q, CEM ll/B-Q, CEM IV/A, CEM IV/B, CEM V/A y CEM V/B, pudiéndose emplear además como componente minoritario (porcentajes inferiores al 5% en masa) dando lugar a cualquiera de los tipos principales de cemento (CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV y CEM V) siempre que no esté incluido ya como componente mayoritario.

La incorporación de materiales procedentes de estos residuos de construcción y demolición en la fabricación de cementos permitiría introducir el concepto de sostenibilidad en el sector de la construcción, sector que tradicionalmente es considerado como poco respetuoso con el medio ambiente, estando en consonancia de este modo con las políticas europeas y nacionales de desarrollo sostenible.

Según el apartado 5.2.3.1 de la norma UNE-EN 197-1 :201 1 , las puzolanas están compuestas esencialmente por dióxido de silicio (Si02) y óxido de aluminio (AI2O3). El resto contiene óxido de hierro (Fe2Ü3) y otros óxidos. El contenido en dióxido de silicio reactivo debe ser superior al 25 %. La composición de los residuos cerámicos de construcción y demolición, objeto de esta invención, cumpliría con estos requisitos.

Así, un objeto de la invención lo constituye un residuo cerámico útil para la elaboración de cementos caracterizado por que comprende al menos un 20% de material cerámico procedente de residuos de la construcción y demolición o de fabricación, que posee una actividad puzolánica y una granulometría adecuada (se busca la optimización del proceso aplicando los materiales de menor granulometría, para facilitar una posterior molienda).

Un objeto de la invención lo constituye el procedimiento de obtención del residuo cerámico de la invención, en adelante procedimiento de obtención del residuo cerámico de la invención, que comprende las siguientes etapas: a) recogida de muestra directamente en las plantas de reciclaje y gestión de residuos de construcción y demolición (Plantas de reciclado de RCD) o de o de plantas de fabricación,

b) selección de los residuos de a) para que exista al menos un 20% de contenido cerámico,

c) secado del residuo de b) en una estufa a 105°C hasta peso constante,

d) trituración o molienda del residuo de c) el tiempo necesario para obtener un tamaño inferior a 63 μιη, por ejemplo, de aproximadamente de 3 minutos (en función de la cantidad de material introducido en el anillo), y

e) el tamizado del residuo de d) con un tamiz de 63 μιη para obtener el residuo cerámico.

El cemento con el que se va a realizar la invención, es un cemento Portland de clases resistente 42.5 R según norma UNE- EN 197-1 :201 1 , aunque no es limitante; la diferencia en el empleo de un cemento u otro, influirá en las prestaciones finales, pudiendo adecuarse el comportamiento final de la invención a las características del cemento empleado.

También, si el proceso de incorporación de los residuos cerámico procedente de plantas de reciclaje de RCD (residuos de construcción y demolición) se llevase a cabo directamente en la fábrica de cemento, éstos podrían ser añadidos y molidos conjuntamente con el clinker, en los porcentajes adecuados para la fabricación de los diferentes tipos de cementos comunes de la norma UNE-EN 197-1 :201 1 .

Otro objeto de la invención lo constituye el cemento, en adelante cemento de la invención, que comprende el residuo cerámico de la invención como componente en dicho cemento en un porcentaje de entre un 0.1 % y un 55%.

En una realización preferente de la invención el cemento comprende el residuo cerámico como componente principal en dicho cemento en un porcentaje de entre un 6% y un 55%.

En otra realización preferente de la invención el cemento comprende el residuo cerámico como componente minoritario adicional en dicho cemento en un porcentaje de entre un 0.1 % y un 5%.

Otro objeto de la invención es el procedimiento de obtención del cemento de la invención, en adelante procedimiento de obtención del cemento de la invención, que comprende las siguientes etapas:

a) mezcla del residuo cerámico de la invención con un cemento en una proporción entre 0.1 % y 55% hasta garantizar una correcta homogeneización, y

b) almacenamiento de la mezcla de a) en un lugar estanco para evitar la carbonatación y humectación de las mismas.

Otro objeto particular de la invención lo constituye el procedimiento de obtención del cemento donde la proporción entre el residuo cerámico y el cemento de a) se cumple la siguiente fórmula:

mtotal rricemento + rflresiduo

mCemento = mtotal*(1 -X)

ITIresiduo = X * mtotal

siendo:

mtotai- masa total de la mezcla a realizar

- mcement0: masa de cemento utilizada

m asiduo'- masa del residuo cerámico

X: porcentaje en tanto por uno del residuo cerámico.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Aspecto inicial de la muestra de RCD tomado mediante cámara fotográfica.

Figura 2. Aspecto de la muestra molida y tamizada por debajo de 63 μιη tomado mediante cámara fotográfica.

EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCION

En este ejemplo de la invención se lleva a cabo una mezcla de cemento con residuos cerámicos de construcción y demolición como componente. Los residuos cerámicos (Figura 1 ), podrían actuar en los cementos como componente principal (6-55% en masa) y se encuadrarían dentro de puzolanas naturales calcinadas (Q) y también como componente minoritario (porcentajes inferiores al 5% en masa), siempre que no esté incluido ya como componente mayoritario, según la norma UNE-EN 197-1 : 201 1 . Con este residuo cerámico de la invención se pueden obtener, en función de las dosificaciones realizadas, cementos de tipo CEM ll/A-Q, CEM ll/B-Q, CEM IV/A, CEM IV/B, CEM V/A y CEM V/B, o cementos de cualquier tipo (CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV y CEM V) si se emplean como componentes minoritarios.

Para estudiar la conformidad de este residuo cerámico con la norma y su posibilidad de ser empleados como material puzolánico, se recogió de la planta de reciclado el residuo de partida, se procedió a la selección y preparación de un residuo cerámico con la proporción de material cerámico indicado (no inferior al 20%) (Tabla 2).

Después se procedió a su acondicionamiento, basado primeramente en un secado de la muestra en una estufa a 105°C. Posteriormente, se realizó una trituración del material, disminuyendo su tamaño y facilitando la posterior molienda en un molino de anillos. Una vez conseguido esta molienda se procede al tamizado de la muestra obteniendo un producto homogéneo, con una finura inferior a 63 μιη, semejante a la del cemento, tal y como puede observarse en la Figura 2.

La composición química de los residuos cerámicos estudiados de la Tabla 1 cumple con los requerimientos de la norma a la que se hace referencia, y es semejante a la de otros materiales puzolánicos ampliamente conocidos y recogidos en la norma UNE-EN 197-1 :201 1 , como son la ceniza volante y el humo de sílice (Tabla 1 ).

Cumpliendo además estos residuos las especificaciones de la sílice reactiva según norma UNE-EN 197-1 :201 1 donde el contenido debe ser superior al 25%.

Tabla 1. Comparación de la composición química de distintos materiales puzolánicos.

Materiales Pérdidas Si02 Al203 Fe203 CaO MgO S03 Na20 K20

Puzolánicos por (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) calcinación

(%)

Humo de < 4 > 85

Sílice

Ceniza 6 32 13 6 35 2 4 < 1 1 volante alta

en cal

Ceniza 2 51 31 7 3 1 1 < 1 3 volante baja

en cal

Residuo 2-27 25- 6-12 2-4 12- 1 -10 0-3 0-1 1 -3 Cerámico 61 31

de la

invención *

*, se describe los mínimos y máximos obtenidos con las distintas mezclas descritas en la Tabla 2.

Se llevaron a cabo las sustituciones en el cemento de residuos con diferentes porcentajes de material cerámico, mostrados a modo de ejemplo en la Tabla 2.

Tabla 2. Sustituciones en el cemento con residuo cerámico de la invención con diferente proporción de material cerámico

"^\ % Material cerámico en


Estas mezclas de residuo cerámico de la invención y cemento, en diferentes proporciones, cumplen con los requerimientos de cloruros y sulfatos, cuyas concentraciones límite en los cementos están recogidas igualmente en la norma UNE-EN 197-1 , según las metodologías de ensayo de la norma LINEEN 196-2:2006 (valores inferiores al 3,5% o al 4,0% para sulfatos, expresados como SO3 y valores inferiores al 0,1 % para cloruros). En la Tabla 3 se recogen las concentraciones de SO3 y cloruros para los residuos cerámicos procedentes de RCD y el cemento utilizado como referencia, así como el cemento fabricado con el residuo cerámico de la invención en los distintos porcentajes mostrados en la Tabla 2 y el mayor porcentaje de sulfatos y cloruros en los residuos cerámicos de RCD.

Tabla 3. Contenido en componentes minoritarios.


* Se tiene en cuenta el cemento empleado

A la vista de los resultados, y teniendo en cuenta la norma arriba mencionada, este tipo de materiales, estarían de acuerdo con los límites establecidos por la norma.

Para los requerimientos físicos y mecánicos, como son el tiempo de fraguado, la estabilidad de volumen y resistencias mecánicas, según la norma UNE-EN 196-3: 2005 y UNE-EN 196-1 : 2005, se obtienen valores que cumplirían con los límites establecidos en la norma UNE-EN 197-1 :201 1 , mostrándose por tanto en las tablas 4, 5 y 6 respectivamente.

Tabla 4. Tiempos de fraguado para los distintos ejemplos realizados

Tiempo de

Fraguado

(min)

M1 > 60

M2 > 60

M3 > 60

M4 > 60

M5 > 60

M6 > 60

M7 > 60

M8 > 60

M9 > 60

i volumen para los distinto

Estabilidad de

volumen

(mm)

M1 < 10

M2 < 10

M3 < 10

M4 < 10

M5 < 10

M6 < 10

M7 < 10

Μδ < 10

M9 < 10

Tabla 6. Resistencias mecánicas a compresión para los ejemplos realizados


* Resultados obtenidos a 28 días según especificaciones de la norma UNE-EN 197-1 :201 1 , y según metodología de ensayo de la norma UNE-EN 196-2:2005

** Valores medios de resistencias a compresión

Respecto a sus propiedades mecánicas arriba mostradas, todos los cementos portland tipo CEM ll/A, que contengan como componente principal este material cerámico en un porcentaje comprendido entre 6 % - 20 %, podrían ser utilizados para fabricar cementos portland con una clase de resistencia 32.5 (N y R) y 42.5 (N y R), según los requisitos mecánicos establecidos en la tabla 3 de la norma UNE EN 197-1 : 201 1 . Cuando su contenido está entre el 21 % - 35% en masa, los cementos portland de tipo CEM ll/B, tipo CEM IV/A y tipo CEM V/A podrían ser utilizados para fabricar cementos de una clase de resistencia 32.5 (N y R), cumpliendo con los

requisitos establecidos en la tabla de la norma mencionada anteriormente. Cuando el contenido está entre 36 % - 55% en masa, los cementos CEM IV/B y tipo CEM V/B se conseguirían clases resistentes de 32,5 N, aunque no en todos los casos.

Por otro lado, para los cementos tipo CEM IV, se establece el cumplimiento del ensayo descrito en la norma UNE-EN 196-5:2000, ensayo de puzolanicidad, según este ensayo, los cementos con estas adiciones, cumplirían con este requisito a la edad de 8 días, aunque este resultado se verá afectado por el contenido de material cerámico en el RCD considerado, por lo que se establece que este tipo de residuos cerámicos de RCD son adiciones activas desde el punto de vista puzolánico, los resultados se muestran a continuación en la tabla 7.

Tabla 7. Ensayo de puzolanicidad para los ejemplos realizados


* Esta especificación deben cumplirla los CEM IV A/B, cuyos porcentajes de sustitución van desde el 21 -55%.