Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Diana Claudia Muñoz Muñoz Instituto Tecnológico Metropolitano Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas Medellín, Colombia 2023 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Diana Claudia Muñoz Muñoz Tesis o trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de: Magister en Desarrollo Sostenible Director: M. Eng. Carlos Roberto Arango Gutiérrez Codirector: Ph.D. Manuel Romero Sáez Línea de Investigación: Biomateriales, Ecodiseño y Construcción Sostenible Grupo de Investigación: Grupo de Calidad, Metrología y Producción - Semillero en Manufactura Sostenible. Instituto Tecnológico Metropolitano Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas Medellín, Colombia 2023 DEDICATORIA A mi hija, que siempre estuvo a mi lado alentándome a continuar. Por ser mi motivación para superarme cada día más. Por su tolerancia, y por compartir parte de su tiempo para que “mamá estudiara” y pudiera lograr este sueño AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a mi director, MEng. Carlos Roberto Arango Gutiérrez, por compartir sus conocimientos, por sus aportes y en especial su compromiso y apoyo incondicional para desarrollar esta investigación. Por motivarme siempre a seguir y a terminar este proyecto de vida. A mi codirector, Dr. Manuel Romero Sáez, y al Dr. Mauricio Vásquez Rendón, por sus aportes, por su apoyo y compromiso constante. Al profesor José Luis González Manosalva, jefe del Departamento de Ciencias Ambientales y de la Construcción, por su apoyo siempre incondicional, por su colaboración y en especial por todos los aportes teóricos, prácticos y técnicos brindados para el desarrollo de esta investigación. A Lina Marcela Acevedo, Daniela Gutiérrez y Karen Valencia, las laboratoristas del Laboratorio de Construcción, Alejandra Munera del Laboratorio de Metrología del ITM, por su apoyo; por siempre estar ahí alentándome y acompañándome, por su ayuda y los conocimientos que compartieron conmigo. A la empresa Postelectras Dishierros S.A.S., y en especial al Gerente, Jorge Andrés Giraldo Sánchez, por su apoyo para proporcionar los materiales empleados durante la investigación. Y un especial agradecimiento al gerente de la empresa Herrajes Gaher S.A.S., Humberto Gómez Gómez, por el apoyo económico y moral durante toda la maestría. Gracias por estar siempre a nuestro lado para no dejarnos desfallecer. Resumen IX RESUMEN Tanto el desarrollo de la industria como el aumento de la población han provocado un crecimiento de las ciudades, y como consecuencia, una demanda mayor de materiales de construcción y también una mayor generación de materiales de desecho; como resultado de ello se presentan impactos económicos, sociales, ambientales y la reducción de recursos no renovables. Estos problemas podrían solucionarse al considerar el uso de diferentes residuos industriales como sustitutos de agregados en el sector de la construcción, lo que ayudaría a minimizar el problema de la disposición de los residuos y, al mismo tiempo, promover la elaboración de materiales de construcción más sostenibles. Este trabajo investigó la incorporación de un residuo llamado “calamina” proveniente del proceso de laminación o trefilación en frío de la industria del hierro y del acero. Se empleó este material como reemplazo de arena en materiales de construcción como el mortero, las baldosas, el concreto y los bloques de tierra compactada (BTC). Se utilizaron diferentes porcentajes de reemplazo de arena por calamina en cada uno de los materiales y se validó la influencia de su incorporación de acuerdo con las normas existentes. Como resultados, se obtuvo un aumento de la resistencia a la compresión para cilindros de concreto para porcentajes del 50% y 70% de reemplazo de arena por calamina, un aumento en la resistencia a la flexión para las baldosas con un reemplazo del 50%, y un incremento en la resistencia a la compresión en los BTC con el reemplazo de un 60% de la arena. Para los morteros y baldosas se obtuvo una disminución en el consumo de agua en las mezclas de 50% y 70% de reemplazo, lo mismo que para la mezcla de 50% de inclusión de calamina en los BTC (como un reemplazo total de la arena). Se encontró adicionalmente que la densidad de los especímenes aumentó a medida que se incrementa el reemplazo de arena en cada uno de los materiales analizados. El reemplazo de arena por este residuo contribuye a minimizar impactos ambientales, económicos y sociales presentados por la explotación masiva de los agregados pétreos y la disposición de residuos. Palabras clave: Valorización de residuos; Calamina de acero, Escamas de acero, Construcción sostenible; Concreto sostenible; Residuos de la industria metalmecánica. X Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero ABSTRACT The development of industry and population increase has resulted in the growth of cities and, therefore, a greater demand for construction materials and generation of waste materials; as a result, there are economic, social, and environmental impacts and a reduction of non-renewable resources. These problems could be solved by considering the use of different industrial wastes as substitutes for aggregates in the construction sector, which would help minimize the problem of waste disposal and, at the same time, promote the development of more sustainable construction materials. This work investigated the incorporation of a residue called "calamine" obtained from the cold rolling or drawing process of the iron and steel industry. This material was used as a replacement for sand in construction materials such as mortar, tiles, concrete, and compacted earth blocks (CEB). Different percentages of calamine were used as a replacement for sand in each of the materials and mixes, and the influence of its incorporation was validated according to existing standards. As a result, an increase in compressive strength was obtained for concrete cylinders with 50% and 70% replacement of sand by calamine, an increase in flexural strength for tiles with 50% replacement, and an increase in compressive strength in CEBs with 60% replacement. For mortars and tiles, a decrease in water consumption was obtained for the 50% and 70% replacement mixes, as well as for the 50% calamine inclusion mix in the CEBs (as a total replacement for the sand). It was also found that the density of the specimens raised with increasing sand replacement in each of the materials analyzed. The replacement of sand with this waste contributes to the minimization of environmental, economic, and social impacts caused by the massive exploitation of stone aggregates and the disposal of waste. Keywords: Waste valorization; Steel calamine, Steel flakes, Sustainable construction; Sustainable concrete; Metal-mechanical industry waste. Contenido XI CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 1 1 VALORACIÓN DE LOS RESIDUOS METALMECÁNICOS PARA LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN .................................................................... 7 1.1 CONSUMO DE LOS RECURSOS NATURALES EN EL SECTOR DE LA CONSTRUCCIÓN. .................................................................................................. 8 1.2 RESIDUOS EN LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y DEL ACERO ............................... 9 1.3 APLICACIONES DE LOS RESIDUOS DE LA INDUSTRIA METALMECÁNICA EN LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN ....................................................... 12 1.3.1 Aspectos Ambientales .......................................................................................... 13 1.3.2 Aspectos Económicos .......................................................................................... 15 1.3.3 Aspectos Sociales ................................................................................................ 17 1.4 OTROS MATERIALES SUSTITUTOS PARA EL SECTOR DE LA CONSTRUCCIÓN ................................................................................................. 17 2 RESIDUO METALMECÁNICO DEL CASO DE ESTUDIO ..................................... 20 2.1 ORIGEN Y DISPOSICIÓN DEL RESIDUO METALMECÁNICO DEL CASO ......... 20 2.2 CARACTERIZACIÓN DEL RESIDUO METALMECÁNICO DEL CASO DE ESTUDIO .............................................................................................................. 22 2.2.1 Morfología ............................................................................................................ 23 2.2.2 Densidad .............................................................................................................. 24 2.2.3 Granulometría ...................................................................................................... 28 2.2.4 Ensayo de fluorescencia ...................................................................................... 33 2.2.5 Difracción de Rayos X - DRXs ............................................................................. 34 2.2.6 Caracterización de Peligrosidad del Residuo ....................................................... 37 3 ALTERNATIVAS DE USO DEL RESIDUO METALMECÁNICO DEL CASO DE ESTUDIO ............................................................................................................... 41 3.1 APLICACIÓN EN CONCRETOS ........................................................................... 42 3.1.1 Dosificaciones para la producción de concretos ................................................... 42 3.1.2 Ensayos y resultados ........................................................................................... 45 3.2 APLICACIÓN EN MORTEROS Y BALDOSAS ...................................................... 48 3.2.1 Dosificaciones en morteros .................................................................................. 49 3.2.2 Ensayos en cubos de mortero .............................................................................. 51 3.2.3 Ensayos en vigas ................................................................................................. 63 3.2.4 Fabricación de baldosas ...................................................................................... 67 3.2.5 Ensayos y resultados para baldosas .................................................................... 69 3.3 APLICACIÓN EN BLOQUES DE TIERRA COMPACTADA ................................... 72 3.3.1 Dosificaciones para Mezcla de BTC ..................................................................... 74 XII Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero 3.3.2 Ensayos y resultados ........................................................................................... 77 4 EVALUACIÓN DE SOSTENIBILIDAD DE LAS ALTERNATIVAS PROPUESTAS ...................................................................................................... 87 4.1 ASPECTOS AMBIENTALES ................................................................................. 88 4.2 ASPECTOS ECONÓMICOS ................................................................................. 89 4.3 ASPECTOS SOCIALES ........................................................................................ 90 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................... 93 5.1 CONCLUSIONES.................................................................................................. 93 5.2 RECOMENDACIONES ......................................................................................... 94 6 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 96 Contenido XIII LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Residuos usados en la industria de la construcción como material de reemplazo de los agregados ..................................................................... 18 Tabla 2. Densidad aparente de la calamina y la arena de Ottawa ........................... 25 Tabla 3. Densidad aparente de la calamina y la arena de concreto ......................... 27 Tabla 4. Sistema de clasificación de suelos determinada por la USCS ................... 30 Tabla 5. Análisis granulométrico NTC 174 (2000) para los agregados .................... 31 Tabla 6. Análisis granulométrico NTC 4205 (2000) para la arena de sello .............. 31 Tabla 7. Porcentajes de retenido por tamaño en los tamizajes efectuados ............. 32 Tabla 8. Análisis granulometría ............................................................................... 33 Tabla 9. Resultado del análisis FRX a la calamina .................................................. 34 Tabla 10. Resultado del análisis DRX a la calamina ................................................. 36 Tabla 11. Fases que constituyen el patrón de difracción ........................................... 37 Tabla 12. Resultados de caracterización física y química ......................................... 38 Tabla 13. Resultados de la caracterización de reactividad al agua............................ 38 Tabla 14. Resultados de la caracterización de toxicidad (prueba TCLP30) ............... 39 Tabla 15. Resultado de caracterización de toxicidad en el lixiviado para Plata ......... 39 Tabla 16. Resultados de la prueba de Ecotoxicidad – Daphnia Pulex ....................... 39 Tabla 17. Resultados de la prueba de Ecotoxicidad – Chlorella vulgaris ................... 39 Tabla 18. Análisis de Blanco de campo ..................................................................... 40 Tabla 19. Diseño de mezcla para un metro cúbico de concreto ................................ 43 Tabla 20. Diseño de mezclas para morteros ............................................................. 49 Tabla 21. Diseño de mezclas para vigas de morteros. .............................................. 63 Tabla 22. Dosificaciones para la fabricación de las baldosas .................................... 68 Tabla 23. Mezclas de materiales analizadas en los BTC. .......................................... 74 Tabla 24. Dosificaciones de la mezcla con calamina ................................................. 75 XIV Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero LISTA DE IMÁGENES Pág. Imagen 1. Alambre que ingresa al proceso de trefilación ........................................... 21 Imagen 2. Decalaminador .......................................................................................... 21 Imagen 3. Tren laminador en frío ............................................................................... 22 Imagen 4. Calamina recuperada del proceso de trefilación ........................................ 23 Imagen 5. Imágenes de la forma de la calamina ........................................................ 24 Imagen 6. Procedimiento para obtener densidad aparente de la calamina................. 26 Imagen 7. Procedimiento para obtener densidad relativa absoluta ............................ 28 Imagen 8. Ensayo de granulometría para la calamina ................................................ 30 Imagen 9. Homogenización de la calamina para los ensayos en concretos ............... 41 Imagen 10. Fabricación y curado de cilindros de concreto ........................................... 43 Imagen 11. Cilindros de concreto sin reemplazo de arena por calamina (0%) ............. 44 Imagen 12. Cilindros de concreto con reemplazo de arena por calamina ..................... 45 Imagen 13. Ensayo de resistencia a la compresión en cilindros ................................... 47 Imagen 14. Molde de muestra con reemplazo de 30% de arena por calamina ............. 51 Imagen 15. Moldes con reemplazo del 0% al 70% de arena por calamina ................... 52 Imagen 16. Curado de cubos ....................................................................................... 52 Imagen 17. Cubos sometidos a condiciones ambientales ............................................ 52 Imagen 18. Estado de cubos luego de 368 días a la intemperie ................................... 53 Imagen 19. Ensayo de resistencia a la compresión en cubos ...................................... 54 Imagen 20. Cámara de ambiente controlado caso de 20 oC y 90% de humedad ......... 57 Imagen 21. Cubos retirados de la cámara a 20 oC y 90% de humedad ........................ 57 Imagen 22. Cámara de ambiente controlado caso de 35 oC y 60% humedad .............. 59 Imagen 23. Cubos retirados de la cámara a 35 oC y 60% humedad ............................. 59 Imagen 24. Fracturas observadas en las muestras. ..................................................... 61 Imagen 25. Fracturas observadas en los cubos fallados a 14 días .............................. 62 Imagen 26. Producción de vigas de mortero con y sin reemplazo de arena. ................ 64 Imagen 27. Curado y preparación del ensayo a flexión en vigas .................................. 64 Imagen 28. Ensayo de resistencia a la flexión en vigas................................................ 65 Imagen 29. Fracturas observadas en las muestras según contenido de Calamina ...... 67 Contenido XV Imagen 30. Fabricación y vaciado de las baldosas ...................................................... 68 Imagen 31. Curado de las baldosas ............................................................................. 69 Imagen 32. Fracturas del ensayo de flexión ................................................................. 70 Imagen 33. CINVA-RAM del Laboratorio de Construcción del ITM .............................. 76 Imagen 34. Bloques macizos de tierra compactada obtenidos para el análisis ............ 76 Imagen 35. Curado de los BTC en el laboratorio de construcción ................................ 77 Imagen 36. Ensayo de Proctor Estándar para la mezcla. ............................................. 78 Imagen 37. Ensayo de abrasión según norma NTC 5324 ............................................ 81 Imagen 38. Ensayo de capilaridad según norma NTC 5324 ......................................... 83 Imagen 39. Probetas para el ensayo de Resistencia a la Compresión Seca ................ 85 Imagen 40. Probeta fallada luego de la aplicación de la carga ..................................... 85 XVI Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero LISTA DE GRÁFICAS Pág. Gráfica 1. Principio del proceso de trefilación ............................................................ 20 Gráfica 2. Superposición de curvas las granulométricas de los tamizajes.................. 32 Gráfica 3. Resultados DRX de la calamina ................................................................ 35 Gráfica 4. Imagen obtenida del análisis DRX realizado .............................................. 37 Gráfica 5. Densidad de cilindros según el reemplazo de arena por calamina ............ 46 Gráfica 6. Resistencia del concreto según el reemplazo de arena por calamina a los 28 días de curado ...................................................................................... 47 Gráfica 7. Agua empleada en la mezcla para cada dosificación de morteros ............. 50 Gráfica 8. Densidad de cubos en función del porcentaje de calamina ....................... 53 Gráfica 9. Resistencia respecto al contenido de calamina y tiempo de curado .......... 55 Gráfica 10. Resistencia respecto al porcentaje de calamina, a 20 oC y en condiciones húmedas ................................................................................................... 58 Gráfica 11. Resistencia respecto al porcentaje de calamina, a 35 oC y en condiciones húmedas ................................................................................................... 60 Gráfica 12. Densidad de las vigas con respecto al porcentaje de calamina ................. 65 Gráfica 13. Resistencia a la flexión con respeto al contenido de calamina .................. 66 Gráfica 14. Densidad de baldosas respecto al reemplazo de calamina ....................... 69 Gráfica 15. Resistencia a la flexión en baldosas respecto al reemplazo de calamina .. 71 Gráfica 16. Porcentaje de absorción respecto al reemplazo de calamina .................... 72 Gráfica 17. Ensayo Proctor Estándar para mezcla con 10% de calamina .................... 78 Gráfica 18. Ensayo Proctor Estándar para mezcla con 30% de calamina .................... 79 Gráfica 19. Ensayo Proctor Estándar para mezcla con 50% de calamina .................... 79 Gráfica 20. Densidad del BTC respecto a la inclusión de calamina ............................. 80 Gráfica 21. Coeficiente de Abrasión (Ca) respecto a la inclusión de calamina ............. 82 Gráfica 22. Coeficiente de Capilaridad (Cb) respecto a la inclusión de calamina ......... 84 Gráfica 23. Resistencia a la compresión del BTC respecto a la inclusión de calamina 86 Contenido XVII SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS Abreviaturas Abreviatura Término ACV Análisis de Ciclo de Vida ANDI Asociación Nacional de Industriales ASTM American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales) BTC Bloques de tierra compactada DANE Departamento Administrativo Nacional de Estadística DRX Difracción de rayos X FRX Fluorescencia de rayos x MPa Megapascales NTC Norma Técnica Colombiana ONU Organización de las Naciones Unidas SEM Scanning Electron Microscopy (Microscopía electrónica de barrido) PNUMA Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente Símbolos con letras griegas Símbolo Término Unidad SI 𝛿 Densidad 𝑔 𝑐𝑚3 INTRODUCCIÓN Colombia es el cuarto productor de acero de Latinoamérica, después de Brasil, Argentina y México, y cuenta con una industria siderúrgica establecida desde 1938, con una capacidad instalada de 2,2 millones de toneladas (ANDI, 2018). La producción de acero la realizan actualmente cinco siderúrgicas que representan el 100% de la producción de aceros largos en el país (Acerías Paz del Río, Gerdau-Diaco, GSR, Sidoc y Ternium), y está destinada principalmente a abastecer la mayor parte del mercado nacional en el sector de la construcción e infraestructura (ANDI, 2018). La generación de excedentes o desechos en el sector de la industria metalmecánica es considerada un problema ambiental en la actualidad; la Asociación Mundial del Acero estimó que para el año 2017 la producción del acero fue de 1.662 millones de toneladas, con aproximadamente 700 millones de toneladas de residuos (lo que equivale a un 42% de lo producido), y se estima que los residuos especiales o peligrosos tienen un promedio del 15% al 20% (World Steel Association, 2018). Para este mismo año, la producción de acero en Colombia estuvo cercana a los 1,2 millones toneladas, lo que llevó a que los residuos generados fueran aproximadamente de 504 mil toneladas (ANDI, 2018), entre los cuales se incluyen chatarra, arena y escoria procedentes del proceso de fundición, virutas y limallas que provienen del mecanizado, y calamina, considerada un residuo especial o peligroso en la Legislación Ambiental Colombiana (Ministerio de Medio Ambiente, 2005). Según el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) “Sand, rarer than one thinks”, en el mundo se consumen 53 mil millones de toneladas de arena y grava al año (United Nations Environment Program UNEP, 2014). Se estima que sólo para una casa de tamaño medio se necesitan unas 200 toneladas de arena y 30.000 toneladas para 1 km de autopista (Barbieri, 2017). En esta investigación se trabajó con un residuo de la industria metalmecánica llamado calamina, cascarilla o escama, proveniente de varios procesos como temple, trefilación1 y laminación del acero. Se estima que se generan de 20 a 30 kilogramos de calamina por cada tonelada de acero procesada (Esguerra, A; Barona, 2010), y que normalmente está 1 Trefilación es el proceso por el cual se reduce de diámetro a un alambre mediante hileras, mandriles o trefilas de carburo de tungsteno (Jensen, 2000). 2 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero constituida por oxido férrico o ferroso, aceites y lubricantes. Cuando el residuo contiene estos dos últimos componentes es considerada como residuo peligroso en Colombia mediante Decreto 4741 - Residuo 10-02-10 (Ministerio de Medio Ambiente, 2005). El residuo de calamina para el estudio fue suministrado por la empresa Postelectras Dishierros S.A.S. Esta empresa se encuentra ubicada en el municipio de Copacabana, en el Área Metropolitana del Valle de Aburrá, y es considerada una pequeña empresa por tener menos de 50 empleados (Congreso de la Republica, 2005); se dedica a la fabricación de postes de concreto para el alumbrado público y a la trefilación del acero, proceso que genera aproximadamente 16 toneladas mensuales del residuo. Esta situación genera dificultades en su almacenamiento y disposición final para la empresa, así como problemas con las autoridades ambientales respectivas. En la actualidad, el residuo es mezclado con el concreto sobrante de los cilindros de prueba, o de los postes rechazados por calidad, para su disposición final en escombrera. Sólo en algunas ocasiones es almacenado en las instalaciones hasta ser entregado a una empresa de soldadura que lo usa para fabricación de electrodos. El impacto ambiental identificado para el residuo en estas condiciones es que puede llevar a contaminación de suelo, agua o aire (por ser tan pequeño y volátil) y que ocasiona esporádicamente contaminación visual o generación de derrames de calamina. Diferentes investigaciones se han realizado orientadas a incluir la calamina en procesos pertenecientes al sector de la construcción, como “Steel scale waste as component in mortars production: an experimental study” (Furlani & Maschio, 2016), en donde agregaban este residuo durante tratamientos térmicos del acero, en reemplazo de la arena (del 5% al 40%), obteniendo efectos positivos en los esfuerzos a compresión y se lograba una variación del 1,5 al 2% en la absorción de agua. En otro estudio, denominado “Recycling of scale and steel chips waste as a partial replacement of sand in concrete” (Alwaeli & Nadziakiewicz, 2012), se usa este residuo en combinación con la viruta para el reemplazo de la arena (desde el 25% hasta el 100%) y como resultado encuentran la disminución del esfuerzo de compresión del concreto con valores de reemplazo en porcentajes superiores al 25%. La adición de estos elementos en el concreto permitió en este estudio que éste adquiera la propiedad de absorción de radiación gama (Alwaeli & Nadziakiewicz, 2012). Introducción 3 En Colombia también se han llevado a cabo investigaciones, como trabajos de grado, con bajos reemplazos de arena por calamina. Se mencionan al menos morteros estructurales con reemplazos entre el 4% y 5% con una calamina procedente del tratamiento térmico de temple (Ordoñez & Villanueva, 2012) o baldosas de mortero en los cuales se recomiendan reemplazos del 3%, con una calamina proveniente del proceso de trefilación para la construcción de mallas, aunque se trata de una calamina contaminada con aceites lubricantes (Arciniegas & Muñoz, 2017). En la presente investigación se busca usar la calamina procedente de la empresa Postelectras Dishierros S.A.S., como un reemplazo de algún agregado o materia prima en el sector de la construcción, evaluando antes su composición, peligrosidad, propiedades físicas y químicas, para así determinar la cantidad de residuo que se puede emplear como sustitución en los diferentes procesos de fabricación del mortero, el concreto, las baldosas y los bloques de tierra compactada (BTC), para luego determinar la afectación a las propiedades de estos materiales con dicha adición, su calidad y las posibles ventajas o desventajas de los productos obtenidos. De acuerdo con lo anterior se plantea como hipótesis: La incorporación de la calamina a diferentes mezclas de materiales no afecta los parámetros de calidad y la resistencia mínima a la compresión para su uso, y es una alternativa sostenible para la disminución de insumos requeridos en el sector de la construcción y la reducción de residuos de la industria metalmecánica que van al vertedero Y cómo pregunta de investigación ¿Es viable la integración de residuos provenientes de la industria metalmecánica, como la calamina, en el sector de la construcción? Con base en todo lo anterior, el objetivo general de la presente investigación es el siguiente: Evaluar el grado de incorporación de calamina en materiales del sector de la construcción, proponiendo diferentes mezclas con criterios sostenibles que permitan aplicaciones comerciales. 4 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Para lograr este objetivo general, se establecieron los siguientes objetivos específicos: • Caracterizar la calamina de acuerdo con su composición, granulometría y sus propiedades físico-mecánicas para determinar su potencial como materia prima en la industria de la construcción. • Desarrollar tres tipos de materiales de construcción con reemplazo de sus insumos no renovables con diferentes proporciones de calamina, para la obtención de las condiciones óptimas de sustitución y sin afectar las propiedades de los materiales dictaminadas por la norma. • Analizar los impactos desde la perspectiva del desarrollo sostenible de los productos de construcción obtenidos con reemplazo de calamina como opción para la reutilización de este residuo. El análisis de incorporación de este material sirve para abordar las dos visiones o problemas planteados: la sustitución de arena y la valorización de un residuo. Esta investigación, por lo tanto, se establece en el marco de la Política Nacional de Edificaciones Sostenibles, (DNP, 2018), en la cual se dan lineamientos de sostenibilidad en el sector de las edificaciones a nivel nacional y en entidades territoriales y se recomienda el uso eficiente de materiales y residuos. Se toman en cuenta adicionalmente los objetivos del Desarrollo Sostenible números 9 (industria, innovación e infraestructura) y 12 (producción y consumo responsable), desde la perspectiva de reconvertir las industrias para que sean más sostenibles, realicen una gestión eficiente de los recursos naturales y reduzcan la generación de desechos mediante la prevención, reducción, reciclado y reutilización (ONU, 2015), y de esta forma contribuyan a la búsqueda de soluciones que lleven al logro de este objetivo. La presente investigación está dividida en cinco capítulos, así: • En el primer capítulo se realiza la contextualización del problema encontrado, presentando una perspectiva del consumo de los recursos naturales en el sector de la construcción, la generación de residuos en el sector metalmecánico, la aplicación de estos residuos en el sector de la construcción y los beneficios ambientales, sociales y económicos encontrados en las investigaciones analizadas. Introducción 5 • En el segundo se aborda el estudio realizado a la calamina, las características morfológicas, propiedades fisicoquímicas y de peligrosidad que se requieren para determinar la viabilidad de su uso. • El tercer capítulo contiene el diseño de mezcla obtenido para diferentes materiales, las pruebas y resultados realizadas en concretos. morteros y BTC´s. • El cuarto capítulo aborda el análisis de los resultados obtenidos desde la perspectiva de la sostenibilidad, presentando los beneficios ambientales, económicos y sociales y adicionalmente cómo se puede llegar a reducir la huella ecológica, la huella de carbono y la hídrica con el reemplazo de agregados por los residuos, en este caso por la calamina. • En el capítulo cinco, se sintetizan las conclusiones y se incluyen una serie de recomendaciones para futuras investigaciones. Finalmente se incluye un conjunto de anexos, donde se encontrarán los diseños de mezclas realizados para cada uno de los productos abordados. 1 VALORACIÓN DE LOS RESIDUOS METALMECÁNICOS PARA LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN Los seres humanos requieren suplir sus necesidades básicas y requerimientos de bienes y servicios, lo cual demanda a su vez la explotación de recursos provenientes del subsuelo. Del medio ambiente se toman minerales como hierro y cobre, así como otros materiales como carbón, grava, arena y/o arcilla. Estos elementos tienen una gran importancia económica por ser fuente de trabajo y materias primas para industrias del sector metalmecánico y de la construcción; ayudan al progreso del hombre, de sus ciudades y al avance tecnológico de todos los países. El sector metalmecánico, por su parte, es uno de los más importantes a nivel mundial, siendo la industria del hierro y del acero una de las más significativas debido al impacto económico que genera, con una tasa de producción de aproximadamente de 50 millones de toneladas al año (Ferreira et al., 2016). La producción de acero crudo a nivel mundial en el año 2018 se incrementó en un 4,7% frente al 2017, llegando a 1.789 millones de toneladas (ANDI, 2018). La industria de la construcción, por otro lado, impulsa el desarrollo de la infraestructura, considerada una base esencial para el avance de las economías de todos los países, garantizando beneficios sociales y económicos (Ortega et al., 2016), pero a su vez es un importante consumidor de materiales (Ríos Ocampo et al., 2017). Un informe de CAMACOL del 2016, destaca la transversalidad del sector constructivo en Colombia, a nivel económico y logístico, así como el hecho de que promueve en gran cantidad la generación de empleos directos e indirectos, contribuyendo en un buen porcentaje a la formación de capital de los países (Ortega et al., 2016). Como ejemplo del efecto del consumo de materiales en la construcción se tiene que entre los años 2000 y 2011 el consumo de materiales para la fabricación de cemento y productos de hormigón, yeso y cemento, aumentó en 190% y 310% respectivamente (Ríos Ocampo et al., 2017). El crecimiento de la población mundial, que en los últimos 60 años se ha triplicado (Unidas et al., 2019), ha impulsado la sobreexplotación de recursos naturales no renovables para suplir la creciente demanda de ambos sectores, metalmecánico y construcción. La industria del hierro y del acero es considerada una de las principales responsables de las emisiones antropogénicas de CO2, ya que tiene una alta dependencia del carbón y de la 8 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero electricidad requerida en sus procesos (Eloneva et al., 2010), y es también uno de los sectores con alta generación de residuos. Según la información proporcionada por la World Steel Association en el año 2018, 1.662 millones de toneladas son producidas, dando lugar a la generación de aproximadamente 700 millones de toneladas de residuos. Se estima que entre el 15% y el 20% de estos residuos corresponden a desechos especiales o peligrosos (World Steel Association, 2018). 1.1 CONSUMO DE LOS RECURSOS NATURALES EN EL SECTOR DE LA CONSTRUCCIÓN. El sector de la construcción consume una gran cantidad de materiales que se tienen que fabricar a partir del uso de un conjunto de recursos naturales y energía (Chu, 2016). Se estima que puede consumir el 50% de los recursos naturales empleados (Arenas, 2007), y contribuir en un 40% al consumo energético mundial (Balaguera et al., 2018). De acuerdo con el Centro de Investigación de Recursos y Consumos Energéticos del Politécnico Superior de la Universidad de Zaragoza, para la obtención y producción de los materiales de construcción requeridos para la edificación de un metro cuadrado de un edificio modelo se requiere una inversión de energía semejante a la que se genera en la combustión de más de 150 litros de gasolina, lo que correspondería a una emisión media de 0,5 toneladas de CO2 y un consumo energético de 1.600 kWh (Zabalza Bribián, 2011). Los procesos constructivos implican, entre otros, la limpieza de terrenos, la tala de árboles (incluidas las plantaciones primarias), el uso de arena, limo, hormigón y otros materiales, generando un consumo sustancial de recursos renovables y no renovables, principalmente en forma de arenas, gravas y arcillas extraídas (Zutshi & Creed, 2015). La arena y la grava representan el mayor volumen de materia prima utilizada después del agua, y su uso supera en gran medida las tasas de renovación natural (United Nations Environment Program UNEP, 2014). Datos indican que se utilizan en el mundo cada año 50.000 millones de toneladas de arena y grava, lo que equivale a la construcción de un muro de 35 metros de alto y 35 metros de ancho alrededor del Ecuador (ONU, 2022). En cuanto a la arcilla, sólo en Colombia se consumieron 82 millones de metros cúbicos en al año 2015, con un crecimiento anual de 25% desde el año 2010 (Universidad Industrial de Santander & Unidad de Planeación Minero Energética UPME, 2018). Además, el sector de la Capítulo 2. Caracterización del residuo 9 construcción fue directa e indirectamente responsable del 18% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero (GEI) en 2010 (OMM;PNUMA, 2014). La producción de una tonelada de concreto convencional libera entre 0,05 y 0,13 toneladas de CO2 al ambiente (Siddique et al., 2018), y en consecuencia, entre 1,25 y 3,25 mil millones de toneladas de CO2 se liberan a la atmósfera anualmente en todo el mundo por este motivo. Si bien entonces la minería de agregados naturales genera cerca del 1% de las emisiones totales de CO2, la extracción de materiales naturales a gran escala para su uso en la fabricación de hormigón cada año deja un efecto negativo significativo en el ambiente (Siddique et al., 2018). La extracción de materiales para el sector de la construcción, por cualquier método que se realice (bien sea dragado, explotación por canteras u otros), causa impactos negativos como la disminución de la biodiversidad, turbidez del agua, deterioro del paisaje, modificación del cauce de ríos y, por tanto, el aumento de la frecuencia e intensidad de las inundaciones y afectación del nivel freático; procesos que tienen consecuencias socioeconómicas, culturales e incluso políticas (Ministerio de Minas y Energía, 2013). Los agregados de construcción son, en consecuencia, un recurso no renovable que representa aproximadamente entre un 60% y un 80% del volumen de la mezcla para el concreto (Oancea et al., 2018), y hacen parte de otros productos del sector de la construcción cuya demanda ha aumentado, por lo que se hace necesario por tanto una alternativa para su sustitución parcial o total. 1.2 RESIDUOS EN LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y DEL ACERO En la industria del hierro y del acero se generan varios tipos de residuos en las diferentes etapas de su procesamiento; desde su producción en el horno de coque, seguido por los tratamientos las plantas de sinterización, luego en el alto horno u otros hornos como el de oxígeno y, por último, en los procesos de fundición o en los talleres de transformación. Estos residuos sólidos son clasificados principalmente como metálicos y no metálicos. Los primeros comprenden la escoria, la arena, cascarilla, virutas y chatarra; los segundos, el coque y polvo de carbón, lodo de aceite, cenizas volantes, lodo ácido y refrigerantes, refractarios y otros residuos como grasas y estopas (Chkravarty & Panigrahi, 1996). 10 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Según datos de la Asociación Mundial de Acero los grandes productores de acero son China e India, con 87,5 y 9,3 millones de toneladas respectivamente. En Europa, Alemania e Italia son los países con mayor producción. Estados Unidos es uno de los grandes productores de América, seguido por Argentina y Brasil (World Steel Association, 2019). Colombia está catalogado como el tercer productor en Suramérica, con un total de 1,2 millones toneladas para el 2017, con la correspondiente generación de al menos 504.000 toneladas de residuos totales (ANDI, 2017). En el proceso de obtención del acero, en los altos hornos, hornos de arco eléctrico o de cuchara se genera la escoria por fundición de mineral de hierro (Ferreira et al., 2016), a una tasa de una tonelada de escoria por cada tres toneladas de acero, lo que representan cincuenta millones de toneladas por año en el mundo (Balaguera et al., 2018). En los procesos de fundición se emplea una mezcla de arena para fabricar los moldes, generalmente compuesta por un 85% a 95% de sílice de alta calidad, 4% a 10% de arcilla bentonita (que actúa como aglutinante) y del 2% al 10% de moldeo carbonoso empleado como aditivo para mejorar el acabado de la superficie de fundición, el cual contiene trazas de óxidos como MgO, K2O, TiO2 (Bhardwaj & Kumar, 2017). En India, la industria de la fundición genera casi 1,71 millones de toneladas de arena al año y en Estados Unidos cerca de 10 a 15 millones de toneladas al año de este residuo (Arulrajah et al., 2017), cuyos costos del almacenamiento, transporte y mano de obra para el proceso de eliminación segura llegan a tener un valor entre 15 a 75 dólares por tonelada (Bhardwaj & Kumar, 2017). En el año 2017, el costo de la disposición o eliminación del residuo en este país se estimó entre 135 a 657 millones de dólares (Siddique et al., 2018). Tanto en los procesos de tratamiento térmico como en los procesos de laminación o trefilación se produce la calamina, que es definida de diferentes formas según del proceso de donde proviene. Es considerada en general como una cascarilla de óxido, proveniente de las siderúrgicas y de las empresas laminadoras de acero, o como el recubrimiento de óxido delgado formado cuando el acero caliente entra en contacto con el aire y luego se desprende durante el trabajo del acero (Esguerra, A; Barona, 2010). También es definida como óxidos de hierro de aleaciones metálicas que se incluyen en el acero, llamadas escamas (Alwaeli & Nadziakiewicz, 2012). Se considera como un subproducto de la Capítulo 2. Caracterización del residuo 11 producción de acero, que se forma en la superficie de los monolitos de acero durante tratamientos térmicos de alta temperatura después de la colada (Furlani & Maschio, 2016). De acuerdo con la producción reportada por el boletín de la ANDI, y basados en una producción de residuo de entre 20 kg a 30 kg de calamina por cada tonelada de acero (Esguerra, A; Barona, 2010), en Colombia se producen anualmente de 26 a 28 millones de toneladas de calamina, solo como resultado de los procesos de laminación y trefilación. En los procesos de mecanizado del acero se generan otros residuos, como viruta y limallas. Las virutas son también llamadas fibras de acero, por ser elementos de corta longitud y pequeña sección. Las limallas o limaduras son trozos de hierro muy pequeños que tienen el aspecto de un polvo oscuro brillante. Estos residuos, al estar mezclados con fluidos de corte hacen difícil su reciclado; sin embargo, existen algunos métodos para hacerlo, como un escurrido o un proceso de centrifugación (Valencia, Plinio Andres, Quintana, 2017). Según la Asociación Mundial de Acero, la viruta reciclada de cualquier producto de acero puede estar entre el 5% al 100%, y el acero fabricado a partir del uso de la viruta o rebaba puede representar el 25% aproximado de la producción mundial de este (World Steel Association, 2018). Otro residuo conocido como chatarra se genera durante procesos de producción como el recorte y corte de aceros (Verma et al., 2018). Este residuo se considera una materia prima para ser utilizada nuevamente en los procesos de fabricación, como es el caso de las 600 millones de toneladas de chatarra empleadas para la producción de acero en el mundo en 2017 (World Steel Association, 2018). En Colombia existen aproximadamente 172 empresas que realizan fundición y procesamiento del acero, y otras más que solo realizan procesamiento y/o fabricación de partes u objetos. En empresas pequeñas como Postelectras Dishierros S.A.S., en Copacabana (Antioquia), se tienen cifras de generación de residuos de 4 toneladas de chatarra y 16 toneladas de calamina por mes, y se estima que empresas como Acerías Paz del Río, Ternium y Diaco, grandes productoras de acero, pueden generar cifras mucho mayores, aunque ellas pueden reciclar estos residuos como insumos para el alto horno. 12 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero 1.3 APLICACIONES DE LOS RESIDUOS DE LA INDUSTRIA METALMECÁNICA EN LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN Existen varias alternativas de uso de los residuos de la industria metalmecánica en la industria de la construcción, y especialmente los residuos que corresponden al sector de la producción del hierro y del acero. Por ejemplo, la escoria del proceso de fabricación del hierro y del acero es usada en la mezcla para pavimento de carreteras (Ferreira et al., 2016), así como un sustituto del Clinker para la fabricación del cemento portland compuesto, un producto que tiene una menor huella de carbono en comparación con el cemento ordinario (Imbabi et al., 2012), y es empleada también como material de reemplazo del caolín en la fabricación de cerámicas (Mendoza-Cuenca et al., 2015). La limalla de acero o de hierro es utilizada como material de refuerzo en el concreto (Valencia, Plinio Andres, Quintana, 2017), teniendo como fundamento que a mayor contenido de fibras, mayor ductilidad (Askeland et al., 2011). La arena proveniente del proceso de fundición es usada como un reemplazo en porcentaje de la arena de cantera, y de ésta se estima que se producen aproximadamente 1,7 millones de toneladas al año en el mundo (Bhardwaj & Kumar, 2017). Las virutas y la calamina han sido usadas en conjunto para el reemplazo de la arena en el concreto con el objetivo de buscar resultados favorables en el coeficiente de atenuación de radiación (Alwaeli & Nadziakiewicz, 2012), y para evaluar los resultados de los efectos de las mezclas con estos materiales en el esfuerzo de compresión (Alwaeli, 2016). Se han realizado diferentes investigaciones para incluir la calamina en procesos pertenecientes al sector de la construcción, como para la producción de morteros en reemplazo de agregado en diferentes proporciones (Furlani & Maschio, 2016) y con diferentes tipos de escamas, clasificando la calamina en gruesa o fina (Arıcı & Keleştemur, 2019). En estos últimos estudios se observó que la calamina estudiada viene de diferentes procesos como la laminación en caliente (Keleştemur & Arıcı, 2020) y tratamientos térmicos (Furlani & Maschio, 2016). En cuanto a la investigación realizada en nuestro país sobre este tema, se incluyen trabajos de grado como los denominados “Elaboración de bloques de mortero tipo estructural mediante secado natural empleando la calamina procedente de Tenaris Tubocaribe S.A.” (Ordoñez & Villanueva, 2012), y “Propuesta para la elaboración de Capítulo 2. Caracterización del residuo 13 baldosas artesanales tipo cerámica, adicionando calamina, en la empresa Alambres y Mallas ALMASA S.A.”, (Arciniegas & Muñoz, 2017). Ambas investigaciones sugieren porcentajes óptimos de reemplazo inferiores al 5% del residuo, denominado escamas de acero, cascarilla en procesos de trefilación (Arciniegas & Muñoz, 2017) y cascarilla proveniente del proceso de temple (Ordoñez & Villanueva, 2012). El residuo estudiado en nuestro caso proviene de un proceso de trefilación en frio y sin adición de lubricantes o grasas (como en el anterior caso citado en Arciniegas y Muñoz (2017), aunque con formas geométricas diferentes y una granulometría dirigida al reemplazo de agregados finos. 1.3.1 Aspectos Ambientales El uso de residuos industriales como reemplazo de materias primas en la industria de la construcción atenúa impactos que se ocasionan en la explotación de agregados, así: • Reduce la demanda de extracción de materiales naturales para materia prima (Alwaeli & Nadziakiewicz, 2012), lo que minimiza los impactos a la disponibilidad de recursos para las futuras generaciones, biodiversidad marina, continental y de ríos. • Disminuye la afectación de la provisión, protección y regulación de los servicios ecosistémicos (ONU, 2022). • Disminuye la cantidad de residuos que van a un vertedero y la polución (Alwaeli, 2016) • Mitiga impactos como contaminación del agua por sedimentos y cambios en niveles de pH, que causan daños importantes en los hábitats acuáticos y ribereños (United Nations Environment Program UNEP, 2014). La explotación por minas a cielo abierto, o canteras, trae como consecuencia la degradación ambiental de la corteza terrestre de los municipios de la zona y de los aledaños, los cuales proveen de estos materiales al sector de la construcción. Esta explotación genera un detrimento del paisaje, ya que para obtener una tonelada de agregados se deben remover varias toneladas de suelo superficial, dañando no solo la cobertura vegetal del sitio e impactando en la actividad biótica de este (C. Bedoya & Dzul, 2015). La extracción de los materiales genera contaminación auditiva en su proceso, vertimientos al agua y residuos no aprovechables que deben ir a un vertedero, impactos que también disminuirían notablemente. 14 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Sólo la huella de carbono causada por los combustibles fósiles usados para la maquinaria en la extracción está estimada en 0,002 kgCO2/kg (Freire et al., 2016); y la industria de la construcción requiere cerca de seis a siete veces más toneladas de arena y grava por cada tonelada de cemento (United Nations Environment Program UNEP, 2014). El Consejo Mundial Empresarial para el Desarrollo Sostenible indica que uno de los factores a considerar cuando se comparan los agregados vírgenes y los agregados reciclados u otros materiales para la construcción son los costos de transporte, incluyendo consumo de combustible y emisiones de CO2. Generalmente los residuos metalmecánicos se encuentran en áreas urbanas cercanas al sitio de la construcción, mientras que los materiales vírgenes (como la arena), suelen obtenerse generalmente de canteras a una distancia mayor y en áreas naturales (Consejo mundial empresarial para el desarrollo sostenible, 2009). Por lo tanto, se puede decir que se requiere disminuir la huella de carbono ocasionada por el transporte de agregados, en especial la que se origina por los recorridos de municipios retirados al área metropolitana, para una disminución en la contaminación ambiental por material particulado (C. Bedoya & Dzul, 2015) y una disminución de contaminación auditiva. El dragado de ríos ocasiona daños en las cuencas, y en especial, variaciones en la turbidez del agua y en las tasas de transporte de sedimentos. Como consecuencia de esta variación, la capacidad hidráulica de los ríos también se ve alterada, generando posibles cambios del cauce que impactan la frecuencia o intensidad de inundaciones. El abatimiento del nivel freático que puede acarrear sequias al alcanzar ciertos umbrales de la extracción de arena puede presentarse al eliminar capas de sedimentos de menor permeabilidad en el proceso de explotación. Todos ellos generan cambios en hábitats acuáticos y ribereños (United Nations Environment Program UNEP, 2014). La minería de agregados ha afectado la provisión, protección y regulación de los servicios ecosistémicos (United Nations Environment Program UNEP, 2014) y el mantenimiento de la biodiversidad, al afectar hábitats y criaderos para diversas especies de flora y fauna, proporcionados por la arena (ONU, 2022), lo anterior cambiaría notablemente al tener la posibilidad de reemplazar parcialmente agregados no renovables por residuos. En la extracción de agregados se generan emulsiones y residuos sólidos (Romero, 2003), en Capítulo 2. Caracterización del residuo 15 especial si son catalogados como especiales o peligrosos, lo que también disminuiría notablemente al reemplazar dichas fuentes. Al usar un residuo como materia prima inerte se disminuye la cantidad de materiales que van a un vertedero (Alwaeli, 2016), lo que aumenta la vida útil esperada de esta zona. Nuevos vertederos de baja vida útil inducen impactos ambientales sustanciales, como la contaminación del agua y del suelo (Doussoulin & Bittencourt, 2022). La extracción de arena a nivel mundial afecta una parte importante de las opciones para mitigar los impactos del cambio climático, dado que entre sus funciones se encuentra la protección contra la erosión costera, las marejadas ciclónicas, inundaciones y salinización de los acuíferos costeros. Este aspecto es muy importante dado que el aumento del nivel medio global del mar se estima entre 0,37 y 1,88 m para 2100, afectando tierras que actualmente albergan entre 147 y 216 millones de personas (ONU, 2022). 1.3.2 Aspectos Económicos En las investigaciones realizadas para reemplazar parte de la arena empleada con un material proveniente del proceso de fundición, se pudo evidenciar que este proceso consume menos energía y que el concreto obtenido es más económico comparado con el concreto convencional (Siddique et al., 2018). De igual manera, al incluir virutas como residuo se obtuvo una mayor resistencia a la flexión y a la tensión y un pequeño aumento en resistencia a la compresión (Furlani & Maschio, 2016), con lo que se pueden obtener ahorros en los costos de los concretos diseñados con resistencias específicas si se incorporan residuos. En esta investigación se espera ampliar el espectro de posibilidades en la valoración de la calamina como residuo del sector metalmecánico mediante un análisis de impactos de una estrategia de economía circular con la industria de la construcción. Al darle importancia al uso o inclusión de residuos en la construcción se hace más sostenible el sector y se ayuda a minimizar los impactos en un análisis de ciclo de vida. Al reusar los residuos industriales se ahorra en costos de transporte y disposición en vertederos (Alwaeli, 2016). El efecto de la incorporación de dichos residuos a los materiales de construcción tiene, por lo tanto, doble efecto favorable en los impactos de ambas industrias. Al descartar o disponer un residuo se pierde la energía incorporada de los 16 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero materiales que queda sin explotar (Doussoulin & Bittencourt, 2022), así como los costos correspondientes. En este caso se invierte una energía al extraer los materiales requeridos para la fabricación de acero, realizar la fundición, igual que al realizar la laminación y trefilación, parte de la cual queda en los residuos generados que no son utilizados y se van a un vertedero. En la legislación colombiana se puede acceder a incentivos tributarios por inversiones que benefician el medio ambiente son conocidos como “Beneficios Tributarios Ambientales” como lo son el descuento del impuesto de Renta, exclusión del IVA, depreciación acelerada de activos y exención arancelaria. El Artículo 158-2 del Estatuto Tributario, establece que las personas jurídicas que realicen directamente inversiones en control y mejoramiento del medio ambiente, tendrán derecho a deducir anualmente de su renta el valor de dichas inversiones que hayan realizado en el respectivo año gravable, previa acreditación que efectúe la respectiva autoridad ambiental (Congreso de la Republica, 1989). El Decreto 3172 de 2003 determina que las inversiones en control del medio ambiente son aquellas orientadas a la implementación de sistemas de control ambiental (Rama legislativa, 2003), que tienen por objeto el logro de resultados medibles y verificables de disminución de la demanda de recursos naturales renovables, o de prevención y/o reducción en la generación y/o mejoramiento de la calidad de residuos líquidos, emisiones atmosféricas o residuos sólidos (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, 2015). Algunas empresas del sector de la construcción han entendido los beneficios económicos del reciclaje y reúso de residuos de construcción. La empresa Indural, por ejemplo, recibió en el año 2022 la exclusión del IVA por invertir en una planta de aprovechamiento de residuos de construcción y demolición (RCD), así como vidrio y loza de otras industrias, certificando que la elaboración de sus productos tendría como mínimo un 70% de material reciclado (Ambientalmente, 2022). El sector de la construcción contribuye con un gran aporte al incremento del PIB, el cual presento una disminución en el año 2020 por la pandemia. En un informe de CAMACOL del año 2022 se menciona que, de acuerdo con los resultados revelados por el DANE sobre el Producto Interno Bruto (PIB), se evidencia que la reactivación económica del país avanza positivamente, al reconocer que la economía colombiana creció 10,6% frente a Capítulo 2. Caracterización del residuo 17 2020 y que los resultados para el sector de la construcción presentaron un incremento destacado de 11,6% en 2021. Lo anterior evidencia su impulso al crecimiento de la economía, así como el valor agregado sectorial en la industria y el comercio de insumos, con los cuales mantiene un alto nivel de encadenamientos productivos (Camacol, 2022a). Para el año 2023 se proyectó un aumento en el PIB de edificaciones del 13,2%, sin embargo, se pronosticó por el Banco de la Republica una disminución para este mismo año del 1,1% al 0,5% (Camacol, 2022). 1.3.3 Aspectos Sociales Los sectores metalmecánico y construcción hacen un importante aporte a la generación de empleo. Para Colombia, en particular, se tiene que el sector construcción representa una fuente de empleo del 7% del total nacional (Ministerio de Trabajo, 2019), mientras que la metalmecánica alcanza un 13% del empleo del sector industrial en conjunto. Al encontrar alternativas sostenibles para ambas industrias se pueden lograr mejores eficiencias y garantizar la permanencia en el tiempo de estos dos sectores, Respecto al impacto social de los residuos y la explotación de agregados en otros sectores productivos, vale mencionar que sectores como el turismo, indirectamente, puede verse afectado por la erosión de las playas ocasionada por la explotación de agregados (United Nations Environment Program UNEP, 2014); la pesca puede verse afectada por la destrucción de la fauna bentónica y el sector agrícola podría verse afectado por la pérdida de tierras agrícolas por la erosión de los ríos y el descenso en los niveles freáticos. Adicionalmente, el sector de seguros puede verse perjudicado por el aumento en impactos por eventos extremos como sequias, inundaciones y tormentas, en especial en zonas costeras o de ribera (United Nations Environment Program UNEP, 2014). Al afectarse el turismo, la pesca y la agricultura se pueden ver afectadas las familias que dependen de estos sectores. 1.4 OTROS MATERIALES SUSTITUTOS PARA EL SECTOR DE LA CONSTRUCCIÓN Distintas estrategias se han investigado con el fin de disminuir la explotación de los recursos y reducir la cantidad de residuos que van a los vertederos. Las posibilidades van desde el reciclaje de algunos de los residuos generados en la demolición de los edificios o 18 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero carreteras (Balaguera et al., 2018) o la sustitución de agregados naturales por residuos generados en otras industrias, como las del caucho, polímeros, agrícola y mecánica y de la misma industria de la construcción. El uso de residuos en el sector de la construcción se aborda debido, principalmente, a las ventajas relacionadas con la amplia disponibilidad, mayor renovabilidad, costos reducidos y sostenibilidad, propiedades térmicas y propiedades acústicas (Oancea et al., 2018). En los últimos años se han realizado investigaciones que incluyen estos materiales como reemplazo del cemento, la arena o la grava, tal y como se muestran en la Tabla 1. Tabla 1. Residuos usados en la industria de la construcción como material de reemplazo de los agregados Residuo Cantidad estimada producida en el mundo Uso especifico Cenizas de incineración de residuos sólidos municipales Su porcentaje de producción se estima cercano a los 800 millones de kilogramos en todo el mundo (Balaguera et al., 2018) Es usada en las mezclas para pavimento de carreteras (Balaguera et al., 2018). Caucho proveniente de los neumáticos Se estima que la producción de estos residuos llega a 17 millones de toneladas en todo el mundo (Balaguera et al., 2018). La Unión Europea se estima que se generan 250.000 toneladas (Balaguera et al., 2018). Es usado para reforzar el asfalto (Baricevic et al., 2018). Cascarilla de arroz, aserrín, cáscara de maní y cáscara de coco La cascarilla de arroz, es considera uno de los residuos con una producción alta ya que tiene un rango de 20% a 33% en peso del arroz (Quispe et al., 2019). Son usados para reemplazar la arena en ladrillos de cemento. La cascarilla de arroz como material cementante y la cascara de coco como reemplazo de agregado grueso (Sathiparan, 2018). Concreto reciclado proveniente de la demolición de obras Según el Consejo Mundial Empresarial para el Desarrollo Sostenible se generan aproximadamente 900 millones de toneladas de concreto tan solo en Europa, Estados Unidos y Japón. Es usado para reemplazo del agregado grueso (grava) (Balaguera et al., 2018). Residuos Plásticos Se estima que ingresan a los océanos 8,4 millones de toneladas por año de desechos plásticos (Willis et al., 2018). Como refuerzo, ya sea por fibras o como polvo para reemplazar agregados (Balaguera et al., 2018). Cenizas de fondo de carbón Las cenizas de fondo de carbón se generan las centrales eléctricas de carbón (Sathiparan, 2018). La ceniza de fondo de carbón es analizada para su uso como alternativa de los agregados (Sathiparan, 2018) Residuos polvo de mármol La producción de partículas finas (<2 mm) es uno de los grandes problemas de la industria del mármol (Sathiparan, 2018). El polvo de piedra natural se utiliza como materia prima o material de construcción, ladrillos cerámicos y aditivos para cemento (Sathiparan, 2018). Capítulo 2. Caracterización del residuo 19 20 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero 2 RESIDUO METALMECÁNICO DEL CASO DE ESTUDIO 2.1 ORIGEN Y DISPOSICIÓN DEL RESIDUO METALMECÁNICO DEL CASO La calamina es una capa dura y lisa que se forma de manera inmediata sobre los productos de acero que se han obtenido por el proceso de laminación o trefilación en caliente, o posterior a tratamientos térmicos como el temple (Esguerra, 2009). La calamina empleada en este estudio proviene de la empresa Postelectras Dishierros S.A.S., ubicada en el municipio de Copacabana (Área Metropolitana del Valle de Aburrá), como resultado del proceso de trefilación en frío, el cual consiste en disminuir el diámetro del alambre mediante su paso escalonado por agujeros de diámetros más pequeños. En la Gráfica 1 se puede observar el principio de la trefilación, el cual es aprovechar el mismo volumen del acero disponible, con una reducción en su diámetro, y un aumento en su longitud. Gráfica 1. Principio del proceso de trefilación Fuente: Tecnología del alambre (Beunens, 1994) El alambre llega a la empresa de diferentes partes de Colombia y del mundo, ya con la oxidación causada por las condiciones ambientales a las que se ve expuesto y los procesos de transformación anteriores. Antes de realizar el proceso de trefilación en frío, el alambre pasa por un decalaminador, el cual tiene la función de desprender la cascarilla con la cual llega el alambre a la empresa mediante el paso por un agujero de menor Capítulo 2. Caracterización del residuo 21 diámetro. En la Imagen 1 puede observarse las chipas de alambre tal y como ingresan al proceso, en estado de oxidación. En Imagen 2 se presenta una vista general y el detalle del decalaminador. Imagen 1. Alambre que ingresa al proceso de trefilación Imagen 2. Decalaminador 22 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Es muy común que en un proceso de trefilación la calamina queda impregnada de aceite y lubricantes, pero la calamina utilizada en este trabajo está libre de estos elementos ya que el proceso que se lleva a cabo en la maquinaria de la empresa no lo requiere. Por este motivo no es considerada un residuo peligroso. El alambre continúa al tren de trefilación en frio, para terminar de reducir su diámetro (Imagen 3). Imagen 3. Tren laminador en frío La calamina generada en la empresa era mezclada con los residuos de construcción y demolición (RCD), provenientes del concreto sobrante en la fabricación de cilindros de prueba y postes y adicionalmente de los postes rechazados por calidad, para así ser depositada en una escombrera. En algunos casos, el residuo de calamina era almacenado en la industria para entregarlo a una empresa de fabricación de electrodos. La empresa decidió asumir la disposición correcta de este residuo y contratar empresas con Licencias Ambientales para este fin, como ASEI o COAMBIENTAL para la separación, y apoyar iniciativas como este trabajo para así evitar o minimizar el impacto ambiental, lo que representa un sobrecosto para la empresa. 2.2 CARACTERIZACIÓN DEL RESIDUO METALMECÁNICO DEL CASO DE ESTUDIO Para la caracterización de la calamina se realiza un estudio de su morfología, la densidad y la granulometría, características que se requieren conocer para determinar su posible Capítulo 2. Caracterización del residuo 23 influencia en los materiales a analizar y que son realizadas en los agregados que se usan en el sector de la construcción. Los ensayos de fluorescencia y de difracción de rayos X se realizan para poder conocer los compuestos que conforman este residuo, así como las fases y los óxidos que se encuentran en él. Finalmente, se analiza la peligrosidad de la calamina con el fin de desvirtuar, para el caso de la calamina procedente del proceso de trefilación en seco, lo contenido en la Legislación Colombiana, que la considera como un residuo peligroso. 2.2.1 Morfología La calamina es una capa delgada de color negro azulado con partículas de óxidos de hierro creada al enfriar el acero a temperatura ambiente, dejando pasar la humedad y favoreciendo la corrosión. En la Imagen 4 se muestra la calamina en el estado en que se obtiene directamente del proceso realizado en el decalaminador, como un polvo oscuro y muy volátil. En la Imagen 5 se evidencia que este residuo no presenta características de forma definida, y que hay variedad de tamaños en las partículas, con terminaciones agudas, planas y redondeadas. Imagen 4. Calamina recuperada del proceso de trefilación 24 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Imagen 5. Imágenes de la forma de la calamina 2.2.2 Densidad Para calcular la densidad aparente de la calamina y la arena a utilizar se realizó el procedimiento según la norma ASTM D 1556-822. Se empleó un molde reglamentado de Proctor Modificado ASTM y el equipo para la elaboración del ensayo de Cono de Arena con el material en su interior, tal y como se aprecia más adelante en la Imagen 6. El objetivo de esta prueba es que la calamina se ubique libremente y de la manera más homogénea posible al interior del recipiente, de forma similar a como lo hace la arena de Ottawa (arena patrón del ensayo) durante el ensayo de densidad de campo. Para este procedimiento se tiene que: • Peso del molde: 𝑊𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 = 5.730 𝑔 • Diámetro del molde: 𝐷𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 = 15,0 𝑐𝑚 • Altura del molde: 𝐻𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 = 11,7 𝑐𝑚, El volumen del molde que se ocupará con calamina es: 𝑉 = 𝜋 𝐷2 4⁄ . 𝐻 = 2.067,56 𝑐𝑚3 2 Norma ASTM D 1556-82: Densidad de campo por el método del cono de arena. Capítulo 2. Caracterización del residuo 25 Para el ensayo básico se pesaron cinco diferentes muestras de calamina, ya que se presentaron algunas diferencias (en gramos) basadas posiblemente en el patrón de acomodamiento de las partículas. En el caso de la arena sólo se analizaron tres muestras por ser un material más homogéneo. El proceso se comparó con la calibración de arena en la Tabla 2. Tabla 2. Densidad aparente de la calamina y la arena de Ottawa Muestra Peso calamina + molde (g) Peso calamina (g) Peso de arena + molde (g) Peso de arena (g) 1 8.868,55 3.138,55 8.773,35 3.043,35 2 8.958,70 3.228,70 8.732,85 3.002,85 3 9.064,85 3.334,85 8.756,75 3.026,75 4 8.963,65 3.233,65 5 9.033,50 3.303,50 Promedio 3.247,85 3.024,32 26 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Imagen 6. Procedimiento para obtener densidad aparente de la calamina Con el peso promedio del material acomodado por su propio peso, y un volumen controlado, se tiene que: 𝛿𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛⁄ . Los resultados finales permitieron evidenciar que para la arena 𝛿𝑎𝑟𝑒𝑛𝑎 = 1,463 𝑔/𝑐𝑚3, mientras que para la calamina 𝛿𝑐𝑎𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎 = 1,571 𝑔/𝑐𝑚3. La diferencia en términos de densidad aparente entre ellas fue apenas del 7,4%. Para la densidad relativa de la calamina, respecto de la arena de concretos, se empleó el método del picnómetro según las recomendaciones de la norma ASTM D-32893 para materiales bituminosos sólidos y semisólidos. En la Imagen 7 se muestran algunas imágenes del proceso adelantado. 3 Norma ASTM D-3289: Método alternativo para determinar la densidad de materiales bituminosos sólidos y semisólidos. Capítulo 2. Caracterización del residuo 27 Se determinó el peso de un picnómetro vacío, de 500 ml de capacidad, y el del mismo picnómetro con agua destilada hasta la marca de patronamiento. Posteriormente, se agregaron 500 g de material (calamina y arena de concretos) y se completó el volumen hasta la misma marca. La densidad relativa de un material es la diferencia entre la densidad absoluta de material analizado y la densidad patrón (agua a 20 °C). En la Tabla 3 se presentan los cálculos correspondientes. 𝛿𝑟𝑒𝑙. 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 = 𝑊𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙+𝑎𝑔𝑢𝑎 500 𝑚𝑙⁄ 𝑊𝑎𝑔𝑢𝑎 500 𝑚𝑙⁄ Tabla 3. Densidad aparente de la calamina y la arena de concreto Calamina Arena de concreto Muestra Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Ensayo 4 𝑊𝑝𝑖𝑐𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 (g) 203,6 220,9 244,8 228,3 𝑊𝑝𝑖𝑐𝑛𝑜𝑚+𝑎𝑔𝑢𝑎 (g) 699,1 716,2 743,0 726,5 𝑊𝑝𝑖𝑐𝑛𝑜𝑚+𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎+𝑎𝑔𝑢𝑎 (g) 1.086,7 1.107,6 1.070,8 1.052,9 𝑊𝑎𝑔𝑢𝑎 (g) 495,5 495,3 498,2 498,2 𝑊𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎+𝑎𝑔𝑢𝑎 (g) 887,1 886,7 826,0 824,6 𝛿𝑟𝑒𝑙. 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 (g/cm3) 1,782 1,790 1,658 1,655 Promedio 1,786 1,657 En términos de densidad relativa, los resultados finales permitieron evidenciar que para la arena de concreto 𝛿𝑎𝑟𝑒𝑛𝑎 = 1,657 𝑔/𝑐𝑚3, mientras que para la calamina 𝛿𝑐𝑎𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎 = 1,786 𝑔/𝑐𝑚3. La diferencia en términos de densidad aparente entre ellas fue solo un 7,8%. Este valor corresponde al incremento relativo en el aporte de áridos que se daría con los reemplazos en los materiales de estudio. En la Imagen 7 se muestran algunos aspectos del proceso. 28 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Imagen 7. Procedimiento para obtener densidad relativa absoluta 2.2.3 Granulometría Por granulometría de un agregado se entiende aquel procedimiento manual o mecánico por medio del cual se separan las partículas constitutivas del agregado, según tamaños, y Capítulo 2. Caracterización del residuo 29 se determinan las cantidades porcentuales en peso que cada tamaño que aporta al peso total. Para esto se utilizan tamices de diferentes aberturas, las cuales proporcionan el tamaño máximo de agregado en cada una de ellas. En la práctica, los pesos de cada tamaño se expresan como porcentajes retenidos en cada malla con respecto al total de la muestra. Estos porcentajes se calculan tanto parciales como acumulados, en cada malla, ya que con estos últimos se traza la gráfica de valores del material analizado granulometría (Laboratorio de Materiales de Construcción , 2010). Mediante este ensayo se busca encontrar la distribución del tamaño de partículas, por peso, de tal manera que se logre establecer el porcentaje cada diámetro relativo y determinar la posibilidad de utilizarlo en la industria de la construcción como material de reemplazo de agregados finos o gruesos, usados en la fabricación de concretos, morteros y BTC. El método empleado es el estándar para análisis por malla de agregado grueso y fino, determinado por la ASTM 136-014. Los resultados serán utilizados para determinar el cumplimiento de la distribución del tamaño de las partículas con los requerimientos aplicables especificados (ASTM, 2003). El procedimiento se realizó por triplicado, cada uno a partir de una muestra de 1.000 gramos. Las muestras se hicieron pasar durante 5 minutos por una serie de tamices establecidos según la norma ASTM, organizados de mayor a menor, en un equipo de rotación y golpeo RO-Tap (Imagen 8). La distribución porcentual de los pesos del material retenido en cada uno de los tamices permitió llevar a determinar la distribución de los tamaños en la muestra, lo que se grafica en una curva granulométrica. La información permitió comparar los resultados con la clasificación de los suelos determinada por la USCS (ASTM, 1952) y con la norma NTC 1745 y 42056 del 2000 (ICONTEC, 2000), mostradas de la Tabla 4 a la Tabla 6, respectivamente. 4 Norma ASTM C136-01: Método estándar de ensayo para análisis por tamizado de agregados fino y grueso. 5 Norma NTC 174: Concretos. Especificaciones de los agregados para concreto 6 Norma NTC 4205: Unidades de mampostería de arcilla cocida. ladrillos y bloques cerámicos 30 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Imagen 8. Ensayo de granulometría para la calamina A. Pesado B. Tamices C. Equipo RO-Tap Tabla 4. Sistema de clasificación de suelos determinada por la USCS Fuente: Clasificación USCS (ASTM, 1952) Capítulo 2. Caracterización del residuo 31 Tabla 5. Análisis granulométrico NTC 174 (2000) para los agregados Tamiz NTC 32 (ASTM E 11) Porcentaje que pasa (%) 9,5 mm 100 4,75 mm 95 a 100 2,36 mm 80 a 100 1,18 mm 50 a 85 600 µm 25 a 60 300 µm 10 a 30 150 µm 2 a 10 Fuente: Norma NTC174 (ICONTEC, 2000) Tabla 6. Análisis granulométrico NTC 4205 (2000) para la arena de sello Numero ASTM Apertura (mm) Pasa Mín (%) Pasa Máx (%) #4 4,75 100% 100% #10 2,00 100% 100% #16 1,18 58% 96% #20 0,85 49% 89% #30 0,60 36% 70% #40 0,43 24% 50% #50 0,30 15% 38% #80 0,18 3% 22% #100 0,15 0% 17% #120 0,13 0% 10% #200 0,08 0% 5% Fuente: Norma NTC4205 (ICONTEC, 2000) Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 7, en donde se determina que este residuo tiene un gran porcentaje de finos, y podía utilizarse como sustituto en porcentaje de la arena fina o arcilla usada para fabricación de los materiales que los emplean. 32 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Tabla 7. Porcentajes de retenido por tamaño en los tamizajes efectuados Numero ASTM Apertura (mm) Tamizaje 1 Tamizaje 2 Tamizaje 3 Acum. (%) Pasa (%) Acum. (%) Pasa (%) Acum. (%) Pasa (%) #4 4,75 0,00% 100,00% 0,00% 100,00% 0,00% 100,00% #10 2,00 0,00% 100,00% 0,00% 100,00% 0,00% 100,00% #20 0,85 1,00% 99,00% 0,79% 99,21% 0,63% 99,37% #40 0,43 32,51% 67,49% 31,53% 68,47% 30,75% 69,25% #60 0,25 62,71% 37,29% 62,27% 37,73% 61,87% 38,13% #80 0,18 76,80% 23,20% 76,52% 23,48% 76,21% 23,79% #100 0,150 84,11% 15,89% 83,93% 16,07% 83,72% 16,28% #120 0,125 87,73% 12,27% 87,59% 12,41% 87,44% 12,56% #200 0,075 94,85% 5,15% 94,79% 5,21% 94,75% 5,25% 100,00% 0,00% 100,00% 0,00% 100,00% 0,00% En la Gráfica 2 se puede observar cómo se superponen las líneas resultantes correspondientes a cada uno de los tamizajes realizados, esto ocurre dada la congruencia de resultados obtenidos en la muestra de estudio. Cada uno de los colores corresponde a uno de los tamizajes dados en la tabla anterior. Gráfica 2. Superposición de curvas las granulométricas de los tamizajes 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,010,1110100 P o rc en ta je q u e p as a Tamaño de partícula (mm) CURVA GRANULOMÉTRICA Capítulo 2. Caracterización del residuo 33 Del análisis granulométrico se obtienen los siguientes resultados: • El coeficiente de variación obtenido para cada una de las aperturas de tamiz y los resultados indican que la muestra de calamina es homogénea. • El mayor porcentaje de las partículas se encuentra catalogado como arenas finas, tal como se observa en la Tabla 8; sin embargo, esto no quiere decir que no pueda reemplazar porcentajes de arenas muy finas o de arcillas en los productos estudiados, ya que solo requeriría de un ajuste granulométrico para que presente las mismas condiciones de la arena o pueda servir para llenar los intersticios que deja el agregado más grueso. Tabla 8. Análisis granulometría % Arenas Tamiz: 100 mm - 0,08 mm % Finos Tamiz: 0,08 mm - 0,000 mm 94,80% 5,20% • La calamina puede reemplazar un mayor porcentaje de arenas finas en lo que corresponde a arenas para concreto, con lo cual las mezclas quedarían con deficiencia en el porcentaje de partículas más gruesas correspondientes al tamaño de tamiz de 4,75 mm y 2,36 mm, que equivaldría aproximadamente a un 15%. • Para las baldosas, la calamina podría reemplazar igualmente un porcentaje de arenas finas, limos y arcillas presentes en los agregados, ya que sus partículas están en estos límites. 2.2.4 Ensayo de fluorescencia Este estudio brinda el análisis químico elemental de la muestra, tanto cuantitativa como cualitativamente, permitiéndonos encontrar los contenidos de los diferentes elementos del alambre trabajado en la empresa Postelectras Dishierros S.A.S. El análisis de la muestra fue realizado por el Laboratorio de Espectrometría de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Antioquia, sede Medellín, usando como equipo el Thermo ARL Optim’X WDXRF con un análisis semicuantitativo, con condiciones de 34 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero humedad de 36% y temperatura de 21,1 ºC. Para la determinación del contenido de carbono se usó el método de análisis por determinación gravimétrica mediante combustión, con equipo determinador de carbono LECO, Referencia 523. Los resultados se muestran en la Tabla 9. Tabla 9. Resultado del análisis FRX a la calamina Elemento % p/p Elemento % p/p Hierro (Fe) 97,530 Magnesio (Mg) 0,098 Carbono (C) 0,442 Azufre (S) 0,055 Silicio (Si) 0,990 Cromo (Cr) 0,034 Calcio (Ca) 0,516 Níquel (Ni) 0,027 Manganeso (Mn) 0,320 Cobalto (Co) 0,0235 Aluminio (Al) 0,289 Cerio (Ce) 0,0212 Fosforo (P) 0,111 Titanio (Ti) 0,007 La caracterización por FRX demostró que el principal componente de la calamina es el hierro, correspondiente a su origen, seguido del silicio y del carbono, elementos aleantes que comercialmente se usan en la fabricación de este material. El principal elemento aleante del acero es el carbono; sin embargo, la técnica usada anteriormente no era altamente precisa para la cuantificación de elementos livianos (como lo es el carbono), por lo que fue necesario realizar una técnica de caracterización adicional denominada determinación gravimétrica mediante combustión, en la cual se encontró que el contenido promedio de carbono en la muestra analizada fue de 0,442%, lo que corresponde con un acero de medio carbono. 2.2.5 Difracción de Rayos X - DRXs Este estudio brinda el análisis cualitativo y cuantitativo de las fases cristalinas. A partir de la difracción de rayos X se puede determinar las clases de óxidos que tiene y la determinación de su estructura. Los ensayos fueron realizados por el Laboratorio de Espectrometría de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Antioquia, sede Medellín, en un equipo el Malvern – Capítulo 2. Caracterización del residuo 35 PANalytical Modelo Empyean 2012, con detector Pixel 3D y fuente de CO; Goniometro Omega/2 theta con configuración de la plataforma Reflexión Transmition Spinner con giros de 4 s. El paso fue de 0,05º y un tiempo por paso de 52 s. La semicuantificación se realizó usando el software High Score Plus mediante el método Rietveld y la base de datos ICSD FIZ karlsruhe 2012-1. La Gráfica 3 presenta los resultados obtenidos por DRX de la calamina. Se observa que el pico principal se encuentra a aproximadamente a 42° y está asociado con el óxido de hierro. Esta configuración tuvo una intensidad 7 veces mayor que los picos correspondientes a las otras estructuras disponibles en el material estudiado. Gráfica 3. Resultados DRX de la calamina Los resultados del DRX confirman que el principal componente de la calamina es el óxido de hierro dispuesto en diferentes estructuras, como muestran las fórmulas químicas obtenidas en la base de datos ICSD FIZ Karlsruhe 2012-1, usada para la comparación de 36 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero los resultados obtenidos durante la caracterización del material. La Tabla 10 presenta el resumen de la composición aproximada de la calamina. Tabla 10. Resultado del análisis DRX a la calamina Nombre Formula química Composición (%) Iron Carbide (3/1) - Epsilon Carburo de Hierro Fe3C 7,1 Iron Aluminium (1/1) – B2 Hierro Aluminio AlFe 2,4 Magnetite Magnetita Fe3O4 21,4 Wuestite Wuestita FeO 54,9 Iron Oxide Óxido de Hierro FeO 9,5 Goethite Goetita FeO2H 0,7 Hematite Hematita Fe2O3 4,1 Al realizar un análisis y tratamiento de los datos arrojados por el DRX con el programa Rietveld en Highscore Plus, se obtiene, de acuerdo con la cuantificación que se muestra en la Tabla 11, que el 80% de los compuestos en el patrón de difracción está constituido por Wuestita, en el cual el hierro está en su menor estado de oxidación Fe2+, seguido por Magnetita (9%) en la cual el hierro está en estados de oxidación 2+ y 3+, y finalmente se encuentra el óxido de hierro en sus formas gama y alfa, en cantidades de 3% y 5%, respectivamente, en el cual el hierro está en su estado de oxidación 3+. Pequeñas trazas de óxidos de cloro se observan en los patrones de difracción lo cual puede estar asociado a contaminantes atmosféricos (Gráfica 4). Capítulo 2. Caracterización del residuo 37 Tabla 11. Fases que constituyen el patrón de difracción ICSD Nombre Fórmula Química Cantidad (%) 98-008-2235 Wuestite Wuestita Fe0.925O 75 98-063-3029 Wuestite Wuestita FeO 5 98-004-4525 Magnetite Magnetita Fe3O4 9 98-009-6072 Hematita Hematita α-Fe2O3 5 98-003-6281 Iron Oxide Óxido de hierro γ-Fe2O3 3 98-006-7665 Chlorine oxide Óxido de cloro ClO2 3 ICSD* El patrón obtenido en en Highscore Plus Gráfica 4. Imagen obtenida del análisis DRX realizado 10 20 30 40 50 60 70 0 10k 20k 30k 40k 50k (W) Wuestita (Cl) Óxido de cloro (H) Hematita M (a) Alfa-Fe2O3 M W MM WM HMCl (M) Magnetita a 2 Theta grados (Cobre) W 2.2.6 Caracterización de Peligrosidad del Residuo Para que la calamina pueda ser empleada como materia primera en las aplicaciones de esta investigación, se adelantan las pruebas requeridas para verificar si se ésta se clasifica como un residuo peligroso, según el Decreto 4741 -Residuo 10-02-10- (Ministerio de Medio Ambiente, 2005). El estudio de peligrosidad CRETIB se elaboró por parte del Grupo de 38 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Investigaciones Ambientales GIA de la Universidad Pontificia Bolivariana Sede Medellín, según lo establecido en el Título 6 del Decreto 1076 de 2015, realizando los análisis de toxicidad por metales pesados (extracción TCLP y análisis de Arsénico, Bario, Cadmio, Cromo Total, Mercurio, Plomo y Selenio en el lixiviado), análisis de Plata en el lixiviado, análisis de Reactividad al agua y ensayo de Toxicidad aguda. Para la toma de la muestra del residuo se siguieron las metodologías de la Resolución 0062 de 2007, el II-PC-017: Muestreo Línea de Gestión y Valorización de Residuos y el II- IN-154: Toma de Muestras en Suelos y Residuos. Asimismo, se tuvo en cuenta lo establecido en las normas ASTM, la Resolución 0330 de 2017 y el Título 6 del Decreto 1076 de 2015. De este estudio se obtuvieron los resultados presentados de la Tabla 12 a la Tabla 18. Tabla 12. Resultados de caracterización física y química Parámetro Decreto 1076 -2015 Titulo 6 Regulación CFR EPA40–Parte 261 Calamina Sólidos totales No Aplica 99,57 ± 0,68 pH No Aplica 4,403 ± 0,160 La muestra tiene como resultado un pH ácido. Tabla 13. Resultados de la caracterización de reactividad al agua Parámetro Resolución 0062 del IDEAM Literal 5.4 Calamina Reactividad al agua No Aplica < 0,1 Según la Resolución 0062 de 2007 del IDEAM, un residuo es reactivo si la velocidad de desprendimiento de gases inflamables en contacto con agua es mayor a 1,0 l/kg sustancia, por lo que este resultado demuestra que no es reactivo al agua. Capítulo 2. Caracterización del residuo 39 Tabla 14. Resultados de la caracterización de toxicidad (prueba TCLP30) Parámetro Unidades LCM Decreto 1076 -2015 Titulo 6 Regulación CFR EPA40–Parte 261 Calamina Arsénico mg As/L 0,005 5,0 0,0434 ± 0,0002 Bario mg Ba/L 0,490 100,0 Menor de 0,490 ± 0,194 Cadmio mg Cd/L 0,010 1,0 Menor de 0,010 ± 0,006 Cromo total mg Cr/L 0,082 5,0 Menor de 0,062 ± 0,037 Mercurio mg Hg/L 0,0005 0,2 0,0045 ± 0,0001 Plomo mg Pb/L 0,067 5,0 Menor de 0,067 ± 0,010 Selenio mg Se/L 0,230 1,0 Menor de 0,0050 ± 0,0002 Los resultados que se obtienen en esta caracterización para cada uno de los metales analizados son menores al límite establecido en la Norma. De igual manera, el resultado presentado en las tablas siguientes, en donde se analiza la toxicidad de la calamina. Tabla 15. Resultado de caracterización de toxicidad en el lixiviado para Plata Parámetro Unidades LCM Decreto 1076 -2015 Titulo 6 Regulación CFR EPA40–Parte 261 Calamina Plata mg Ag/L 0,05 5,0 Menor de 0,05 Tabla 16. Resultados de la prueba de Ecotoxicidad – Daphnia Pulex Ensayo de toxicidad aguda con Daphnia Pulex Resolución 0062 de 2007 IDEAM Calamina Porcentaje de inmovilización para 100% WAF Si el porcentaje de inmovilización es mayor o igual a 50%, el residuo es clasificado como ECOTÓXICO 28,3 ± 1,1% Tabla 17. Resultados de la prueba de Ecotoxicidad – Chlorella vulgaris Ensayo de toxicidad aguda en algas con – Chlorella vulgaris Resolución 0062 de 2007 IDEAM Calamina Inhibición tasa de crecimiento 72h (%) Si el porcentaje de inmovilización es mayor o igual a 50%, el residuo es clasificado como ECOTÓXICO < 10,0 % 40 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Tabla 18. Análisis de Blanco de campo Parámetro Unidades LCM Calamina Cadmio mg Cd/L 0,010 𝑀𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑑𝑒 0,010 ± 0,006 Después de realizar estas pruebas a la calamina con un análisis de peligrosidad TRE, realizado bajo los estándares establecidos por las metodologías EPA (Environmental Protection Agency) “Analytical Methodos for the National Sewage Aludge Survey” y la Resolución 0062 de 2007, y de acuerdo con los lineamientos establecidos en la parte 261 del CFR EP 40, se puede concluir que el residuo no es reactivo al agua, no es tóxico por presencia de metales pesados y no es ecotóxico. En conclusión, el residuo analizado, proveniente del proceso de trefilado en frío en las instalaciones de Postelectras Dishierros S.A.S. no es considerado un residuo peligroso 3 ALTERNATIVAS DE USO DEL RESIDUO METALMECÁNICO DEL CASO DE ESTUDIO Para evaluar el uso sostenible de la calamina en la construcción se definieron tres productos en los cuales se incluirá como materia prima en reemplazo parcial de las arenas empleadas tradicionalmente, como son concretos, morteros y bloques de tierra compactada (BTC). Para esto se realizó el diseño de mezcla para cada uno de los productos (diseños que pueden ser observados en los anexos A, B y C) y se definieron diferentes ensayos que determinarían sus posibles aplicaciones. Antes de comenzar los ensayos, se llevó a cabo la homogenización de 180 kilos de calamina traída de la empresa. Para ello se empleó una cuarteadora, con el fin de no sesgar el proceso de selección del material (Imagen 9). Imagen 9. Homogenización de la calamina para los ensayos en concretos Se realizaron los diseños de mezcla para los morteros según los determinan las Normas Técnicas Colombianas (NTC). Para los concretos y bloques de tierra comprimida (BTC´s) se partió de mezclas con resistencias y dosificaciones determinadas previamente por la norma y/o comercialmente. Para los reemplazos de arena por calamina se establecieron entonces porcentajes de sustitución para cada tipo de material analizado, en algunos casos por encima de los usados en otras investigaciones, dado que se quería encontrar la 42 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero influencia de este residuo en las mezclas y al evaluar los efectos de dichos remplazos en los productos. En todo caso, cada una de las dosificaciones analizadas deberían contar con el número de individuos necesario para identificar efectos ajenos a la inclusión de la calamina en el experimento. 3.1 APLICACIÓN EN CONCRETOS El concreto es el material más usado en el sector de la construcción por sus propiedades mecánicas a largo plazo y por los acabados que se logran con prácticas eficientes. El concreto está compuesto por cemento como material aglutinante, agua (para activar la reacción química del mismo), arenas y gravas como agregados, y ocasionalmente aditivos para proporcionar características especiales (ICONTEC, 1999). Este material ofrece, como las rocas naturales, una gran resistencia a las fuerzas de compresión, sin embargo, presenta una resistencia moderada a la flexión y a la tracción (Gutiérrez, 2003). 3.1.1 Dosificaciones para la producción de concretos Para la preparación de mezclas de concreto se requiere establecer la dosificación de cemento, arena, grava y agua. Para estas dosificaciones se tuvieron en cuenta las normas NTC1747, NTC778, NTC929, NTC12910, NTC17611, NTC23712, NTC55013 y NTC137714. En la Tabla 19 se especifica el diseño de mezcla para un metro cúbico de concreto y, posteriormente, se determinan los materiales necesarios para el llenado de las probetas (véase el Anexo A, para el proceso de diseño de mezcla). 7 Norma NTC 174: Concretos. Especificaciones de los agregados para concreto 8 Norma NTC77: Método de ensayo para el análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos 9 Norma NTC92: Determinación de la masa unitaria y los vacíos entre partículas de agregados 10 Norma NTC129: Toma de muestra de agregados 11 Norma NTC176: Método de ensayo para determinar la densidad y la absorción del agregado grueso 12 Norma NTC237: Método para determinar la densidad y la absorción del agregado fino 13 Norma NTC550: Concretos. Elaboración y curado de especímenes de concreto en obra 14 Norma NTC1377: Elaboración y curado de especímenes de concreto para ensayos de laboratorio Capítulo 3. Alternativas de uso del residuo metalmecánico. 43 Tabla 19. Diseño de mezcla para un metro cúbico de concreto Cemento (kg) A. Fino (kg) A. Grueso (kg) Agua (l) 396,98 583,13 1.216,10 209,47 La arena de la mezcla del concreto (agregado fino) fue reemplazada por calamina en cuatro porcentajes diferentes (10%, 30%, 50% y 70% en peso), y se elaboraron tres muestras para cada uno de los porcentajes de reemplazo y tres para el blanco (sin reemplazo). Todas las muestras se vaciaron en cilindros con las dimensiones normalizadas y se llevaron al tanque curado por 28 días (Imagen 10). Imagen 10. Fabricación y curado de cilindros de concreto En la Imagen 11 se puede observar la apariencia de los cilindros de concreto sin reemplazo de arena por calamina terminado el proceso de curado en tanque. El color del cilindro no cambia apreciablemente a medida que aumenta el reemplazo de arena (Imagen 12). 44 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Imagen 11. Cilindros de concreto sin reemplazo de arena por calamina (0%) Capítulo 3. Alternativas de uso del residuo metalmecánico. 45 Imagen 12. Cilindros de concreto con reemplazo de arena por calamina A. 10% de reemplazo B. 30% de reemplazo C. 50% de reemplazo D. 70% de reemplazo 3.1.2 Ensayos y resultados 3.1.2.1 Densidad Luego de extraer las muestras de la cámara de curado, éstas fueron pesadas y medidas para obtener la densidad de cada uno de los cilindros. Los resultados se pueden observar en la Gráfica 11. 46 Aprovechamiento sostenible de residuos de la industria metalmecánica en el sector de la construcción. Caso de estudio: calamina procedente de la trefilación en seco del acero Gráfica 5. Densidad de cilindros según el reemplazo de arena por calamina La densidad del cilindro aumenta con el porcentaje de calamina. Con el 10% de reemplazo de arena la densidad aumenta un 0,84%, con el 30% de reemplazo un 4,64%, con el 50% de reemplazo un 8,43% y, finalmente, aumenta un 11,39% con un reemplazo del 70% de arena por calamina. Este aumento se debe a que el material de reemplazo tiene una mayor densidad aparente y relativa absoluta que el árido, como se determinó en el Capítulo 2. 3.1.2.2 Ensayos de resistencia a la compresión Los ensayos de resistencia a la compresión se realizaron siguiendo las indicaciones de la norma NTC67315. En la Imagen 13 se puede observar el montaje para el procedimiento llevado a cabo para la falla de los cilindros y el resultado final. En la Gráfica 11 se muestran los datos y resultados de los ensayos realizados. 15 Norma NTC673: Concretos. Ensayo de resistencia a la compresión de especímenes cilíndricos de concreto 2,37 2,39 2,48 2,57 2,64 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% D en si d ad d el c ili n d ro ( g/ cm 3 ) Calamina (%) Capítulo 3. Alternativas de uso del residuo metalmecánico. 47 Imagen 13. Ensayo de resistencia a la compresión en cilindros Gráfica 6. Resistencia del concreto según el r