La composición química de las arcillas mediante análisis por FRX se muestra en la Tabla 2.1. Los altos contenidos de Fe2O3 reportados se asocian en primer lugar a la presencia de óxidos e
hidróxidos de hierro, que se evidencia en el color pardo-rojizo de las muestras, aunque no se descarta cierto grado de sustitución isomórfica del Al por el Fe en la capa octaédrica de los minerales arcillosos. La relación Al2O3 / SiO2 para la muestra compósito Loma Sur (LS) presenta
valores intermedios (~0,5) y para las muestras compósito de Yaguajay (YG) y La Loma (LL), con relaciones Al2O3 / SiO2 de 0,4 y 0,3 respectivamente, se estima un moderado contenido de fases
arcillosas en relación con LS. La arcilla proveniente de Yaguajay también presenta un contenido de elementos alcalino-térreos relativamente alto (CaO + MgO = 3,68), que puede ser un indicio probable de la presencia de calcita o minerales similares.
Tabla 2.1. Composición química de las arcillas caoliníticas
Las principales fases minerales en las materias primas se identificaron mediante DRX y los resultados se muestran en la Tabla 2.2. Se determinó que en todos los yacimientos el mineral arcilloso predominante pertenece al grupo de la caolinita, acompañados en la mayoría de los casos por la presencia de cuarzo y fases minerales ricas en hierro como la hematita (Fe2O3) y la goethita
(α-FeO(OH)). También se detecta la presencia de materiales arcillosos de tipo 2:1 como la Vermiculita y la Montmorillonita en los yacimientos de Loma Sur y Yaguajay. La presencia identificada de calcita como mineral acompañante en la muestra del depósito Yaguajay se corresponde con el contenido de CaO determinado mediante FRX. En las Figuras 2.1, 2.2 y 2.3 se muestran los difractogramas correspondientes a la fracción arcillosa de las muestras compósito LS, LL y YG. En todos los casos existe un predominio de minerales arcillosos de la familia de las caolinitas que son los que aportan la reactividad puzolánica. Destacar que para YG, la presencia de calcita no se aprecia en la fracción arcillosa y para LL existe la presencia de cuarzo muy fino, el cual por debajo de 5µm puede ser potencialmente reactivo (Cyr et al., 2006) (Ver anexos II, III y IV).
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O TiO2 P2O5 Mn2O3 Otros PPI
LS 50,88 25,23 12,58 0,28 0,95 0,02 0,08 0,32 0,98 0,05 0,04 0,29 8,39
LL 61,40 18,86 9,61 0,07 0,15 0,02 0,26 0,90 0,62 0,13 0,03 0,21 7,80
Tabla 2.2. Composición mineralógica de las arcillas Origen Minerales Arcillosos 1:1 Minerales Arcillosos 2:1 Otras % de Keq LS Hidrotermal/ Intemperismo Halloysita, Caolinita Vermiculita, Montmorillonita Cuarzo e Hidróxidos y óxidos de hierro (Fe2O3 y α-
FeO(OH)) 55,58 LL Hidrotermal/ Intemperismo Caolinita, Nacrita 41,84 YG Redeposición Nacrita; Caolinita Vermiculita + Calcita 45,37
Figura 2.2. Difractograma de Rayos-X de la muestra compósito La Loma.
En las Figuras 2.4a, 2.4b y 2.4c se muestran los resultados del ATG para las arcillas en su estado natural donde se observan los principales efectos térmicos que ocurren en el sistema con el aumento de la temperatura. Para todos los materiales arcillosos se observa un primer efecto de pérdida de masa a temperaturas por debajo de los 200 ° C, asociada a la deshidratación del sistema. Para las arcillas de YG y LS, este efecto se extiende hasta temperaturas cercanas a los 210 ° C, lo cual es característico de muestras minerales con contenidos relativamente altos de arcillas del grupo de las esmectitas, El efecto observado entre los 200 ° C y los 320 ° C es atribuido a la descomposición de hidróxidos de hierro. En todas las materias primas analizadas se manifiesta entre los 350 ° C y los 850 ° C la desoxhidrilación de los minerales arcillosos. Este efecto está asociado a la pérdida de los OH-
estructurales de la caolinita, aunque pueden presentarse contribuciones menores de otras fases arcillosas del tipo 2:1. Para la arcilla de Yaguajay se manifiesta otro efecto relativamente intenso enmarcado entre los 650 y los 750 ° C, que pudiera asociarse a la descomposición de la calcita de baja cristalinidad. Aunque el máximo del efecto térmico de descomposición de la calcita normalmente se reporta para temperaturas alrededor de 900 ° C, cuando esta se encuentra en bajas proporciones o existe una mezcla con otros compuestos, este efecto puede manifestarse a temperaturas más bajas, con un máximo cercano a los 800 ° C (Todor, 1976) (Habert et al., 2009). El contenido de calcita fue cuantificado en un 5,25 % mediante ATG.
%
Figura 2.4b. Curvas de ATG de LS y su fraccion arcillosa.
Del análisis de la fracción arcillosa se puede apreciar que de forma general existe un incremento en el contenido de minerales arcillos, aunque en YG este incremento es menor y se observa que no existe presencia de calcita al analizar la fracción arcillosa.
El contenido de OH estructurales se determinó mediante ATG a partir de la pérdida de masa en el intervalo 350-850 ° C normalizado por el peso seco a 200 ° C, para evitar la interferencia del agua de hidratación que varía en función de las condiciones de almacenamiento de la muestra y del tipo de mineral arcilloso dentro de la misma. Los resultados de este análisis se reportan en la Tabla 2.3. El contenido de minerales arcillos se reportan en esta tabla como % de caolín equivalente, calculado a partir de los OH estructurales y asumiendo que estos corresponden en su mayoría a minerales de la familia de la caolinita.
Tabla 2.3. Contenido de OH estructurales y Keq en las muestras de arcillas
% de SiO2 % de Al2O3 Al2O3/SiO2 % de OH % de
Keq
LS 50,88 25,23 0,50 8,51 60,97 %
LL 46,58 20,06 0,43 5,67 40,63 %
YG 61,40 18,86 0,30 5,93 42,50 %
Dada la presencia detectada por DRX de más de un tipo de mineral arcilloso no es posible asignar el contenido de OH estructurales a un mineral en específico. Sin embargo, puede observarse que existe una correlación entre el contenido de hidroxilos estructurales y el contenido total de Al2O3 o la
relación Al2O3/SiO2. La reactividad puzolánica de las arcillas calcinadas depende del contenido de
material potencialmente reactivo (relacionada directamente al contenido de Al2O3) y la extensión de
desorden estructural alcanzado durante la activación térmica (relacionada con la pérdida de grupos hidroxilos). Estudios previos han mostrado que los minerales arcillosos como la caolinita (Al2O3 ~
39.50 %; OH-~ 13.95 %) presentan una alta reactividad puzolánica, por otra parte, las arcillas de tipo 2:1 (Al2O3 ~ 28.50 %; OH-~ 5.00 %) presentan poca o moderada reactividad puzolánica.
Entonces es razonable asumir que, aunque no se pueda determinar la contribución de cada mineral arcilloso por separado a la reactividad puzolánica, mientras más alto es el contenido de Al2O3
Figura 2.5. Diagrama ternario Al2O3-SiO2-OH- estructurales.
Este criterio de reactividad puede expresarse a través de un diagrama ternario Al2O3-SiO2-OH -
mostrado en la Figura 2.5, donde, a mayor contenido de Al2O3 y OH
-
estructural en la muestra, debe esperarse mayor contenido de minerales arcillosos y, por tanto, mayor reactividad puzolánica de los productos de calcinación. No obstante, es necesario tener en cuenta que la reactividad puzolánica no solo depende de la composición mineralógica o química de las materias primas. Las líneas 1:1 y 2:1 representan el incremento de los contenidos de minerales arcillosos de tipos 1:1 y 2:1 respectivamente, calculados a partir de fórmulas idealizadas y asumiendo el cuarzo como mineral acompañante. Bajo estas condiciones, las líneas delimitan el área asignada a los minerales arcillosos estudiados. Teniendo en cuenta que los principales criterios de reactividad puzolánica son el desorden estructural (directamente relacionado con el contenido de OH- estructurales) y el contenido se sílice y alúmina como especies reactivas, es de esperar que a medida que estos aumenten, mayor será la potencial reactividad de las arcillas. La posición de las muestras a lo largo de la diagonal 1:1, (incrementando el % de Al2O3 y OH-) establece un orden en el potencial carácter
puzolánico de sus productos de calcinación, por lo tanto, es de esperarse el siguiente orden de reactividad: LS > YG > LL.