Metodología para el control de calidad en el procesamiento de agregados pétreos

*Por los Ings. Demian D. Palumbo y Hugo D. Bianchetto, Facultad Regional Avellaneda, Universidad Tecnológica Nacional; el Dr. Ing. Gerardo Botasso, Facultad Regional La Plata, Universidad Tecnológica Nacional, LEMaC; la Ing. María Correa, Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires, CIC. Instituto de Recursos Minerales INREMI, FCNyM-UNLP-CICBA; y por el Ing. Enrique P. Costas, de Cantera Piatti S. A. Cerro Sotuyo, Sierras Bayas, Olavarría.


Resumen

En Argentina los requisitos técnicos exigidos a los agregados pétreos para obras viales son cada vez más estrictos, por consiguiente, conocer estas nuevas demandas y adaptar los procesos en cantera, pueden resultar una ventaja competitiva.
El proceso de producción de agregados es un sistema complejo, en el cual interactúan muchas variables con diferentes incidencias sobre la calidad del árido producido. Resulta muy difícil identificar aquellas variables con mayor influencia en la calidad, y aún más, lograr un proceso con una baja variabilidad en la calidad obtenida. Por este motivo, para poder hacer un control de calidad efectivo, adaptado a las necesidades económicas y comerciales de la cantera, es necesario conocer cuáles son estas variables, y establecer metodologías para su control.
Se hará una revisión de los efectos que tiene el procesamiento industrial de áridos en la calidad de los mismos y se propondrá también una metodología para el control de la variabilidad del proceso y para el análisis de variables.
Conociendo está situación, no alcanza realizar ensayos de caracterización del material muestreado en acopio, sino que debe ser complementado con ensayos del material tomado en cinta y un seguimiento de la configuración de los equipos para el muestreo realizado.

GENERALIDADES
Los agregados pétreos incorporados en mezclas asfálticas deben cumplir con características específicas, de manera tal de no afectar la resistencia y durabilidad de dichos materiales, siendo el origen de los agregados, la forma de extracción y su procesamiento, factores que pueden influir sensiblemente en la calidad final de las obras.
En condiciones normales, un concreto asfáltico estará conformado aproximadamente por una proporción en peso de áridos del 90% – 95% sobre el peso total de la mezcla (Speight, 2015). En consecuencia, este material se posiciona como uno de los más importantes en el desempeño de una mezcla asfáltica en servicio, situación que motiva analizar y controlar la calidad de los agregados pétreos utilizados, ya que tendrá especial importancia si se busca extender la vida útil de estas obras.
Si bien la situación descripta puede resultar suficiente como para que los productores de áridos actualicen sus procesos y tomen las medidas necesarias para poder ofrecer productos que cumplan con estos aspectos, se manifestará en acciones concretas solo en aquellas canteras cuya estrategia de negocio atienda a un modelo de diferenciación con la competencia basado en la calidad del producto ofrecido.
En este sentido, si una cantera establece como meta mejorar la calidad de los áridos producidos, como primera instancia debería mínimamente conocer cuáles son los requisitos habituales que deben cumplir los agregados gruesos y finos, para que sean considerados aceptables, tanto bajo los requisitos de Vialidad Nacional como el requerido por algún cliente. Una vez definido esto, se debería poder diferenciar aquellos parámetros del agregado que se verán afectados por modificaciones en el proceso y cuales son independientes de ello.
Se podría proponer entonces una clasificación en la que existen dos tipos de parámetros que inciden en la calidad del agregado, aquellos dependientes del sistema de procesamiento y otros independientes del mismo. Ambos influirán en la selección de los equipos e instalaciones auxiliares de la cantera, pero como se ha dicho solo uno de ellos se verá afectado por las variaciones que se puedan realizar en la configuración de los equipos y las características propias de cada máquina.
La calidad de los agregados pétreos quedará determinada entonces por características relacionadas con su origen geológico y a otras relacionadas con su morfología. En especial éstas últimas serán de gran importancia ya que dependiendo del modo en que sea procesado el agregado se podrán obtener formas más cercanas a los parámetros deseados. En cuanto a las características petrológicas, determinadas por la litología del frente de explotación, establecerán los parámetros intrínsecos de la roca que no podrán ser modificados con cambios en el procesamiento, y a pesar de eso tendrán gran influencia en la calidad del agregado.
Se hace evidente, que para realizar una correcta elección de los equipos y de la configuración de máquinas, (en búsqueda de una cierta calidad del producto), será necesario realizar los ensayos pertinentes a la roca, con el fin de conocer la mineralogía del material a procesar, y la morfología obtenida en distintas etapas del proceso. Además, éstas decisiones muchas veces son tomadas sin un criterio lógico a pesar de tener gran impacto tanto en la calidad obtenida como se ha descripto, como en la inversión inicial y los costos.
Se puede ver que no alcanza solo con haber realizado una correcta elección de los equipos de la cantera, para realizar una producción de agregados con una calidad de material controlada (Fig. 1). Para concretar este objetivo será necesario considerar aspectos como la configuración o ajuste de máquinas y el control de calidad del proceso. Ambos conceptos deben estar interrelacionados para obtener los resultados deseados, ya que realizar el ajuste de equipos unilateralmente, sin ser comprobados los cambios a través de ensayos morfológicos del material, no permitirá sacar conclusiones correctas al respecto. Caso contrario, habiendo realizado controles de calidad a través de muestras tomadas en el acopio del material preparado para el despacho, no permitirá asegurar que parte del proceso debe ajustarse para corregir algún desvío de los valores esperados. Por este motivo resulta muy importante conocer que variables del proceso podrían modificarse y cuales tendrán mayor impacto en la calidad. En cuanto al control de calidad realizado en planta, debe estar pensado no solo como un control periódico de los agregados preparados para su entrega a los clientes, sino también como un sistema de apoyo a correcciones del proceso.
Para definir entonces que variables del proceso deberían modificarse para alcanzar una calidad de agregado esperado es necesario elaborar un procedimiento que permita identificar que variables tienen mayor incidencia en algún parámetro morfológico que deseamos cambiar y permita identificarlo en forma global, ya que modificaciones parciales, aplicadas en forma sectorizada, sin una visión de conjunto, pueden no tener el efecto esperado.

METODOLOGÍA PROPUESTA
Lo ideal, sería conocer que variables modificar en el proceso para obtener una determinada calidad en el agregado producido. Pero esto no es tan simple, por el contrario, es un sistema complejo en el que intervienen gran cantidad de variables con efectos diversos sobre la calidad del árido. Se hace evidente la necesidad de establecer aquellas variables candidato de ser analizadas. Un criterio posible sería seleccionar aquellas variables que en estudios previos demostraron tener algún tipo de impacto en la calidad del agregado pétreo.
A continuación, se presenta una lista con algunos ejemplos de estas variables:

Alimentación
• Distribución de la alimentación
La correcta alimentación de los equipos afectará el modo en que estos ejercen la fuerza sobre las rocas. Una distribución de alimentación incorrecta, no homogénea en la cavidad, dará lugar a esfuerzos de cizalla en zonas de la trituradora por ausencia de compacidad, que favorecerán la aparición de partículas lajosas, con impacto negativo sobre la calidad del árido.
La distribución debe ser no segregada y distribuida uniformemente alrededor de la cavidad de trituración (Eloranta, 2008).
Ubicar un alimentador antes del ingreso de material en una trituradora de cono, puede contribuir a que tanto el material de mayor tamaño como el más pequeño sean repartidos de forma uniforme dentro de la abertura de alimentación.

Voladura
• Diámetro de Barreno
El diámetro con que se realizan las perforaciones donde se introducirán los explosivos y la distancia entre ellos (malla de perforación), tendrá influencia tanto en la calidad del agregado como en los costos asociados a las etapas subsiguientes.
Al respecto (Eloranta, 2008), establece a modo de guía el impacto que tendría utilizar un diámetro de barreno específico, en distintos aspectos de la roca volada.

Al respecto y centrándose en el impacto que tendría sobre la calidad, en la (Figura N° 2) se puede ver que un diámetro menor tendría efectos positivos sobre la cubicidad del árido producido.

Trituración
• Jaw Crusher – Trituradora de Mandíbulas

Cámara de trituración
La geometría de la cámara de trituración, determinada por las placas de blindaje elegidas, influirá en el grado de reducción de la trituradora (Figura N° 3).

El ángulo que forman las placas de trituración determina el grado de desmenuzamiento del triturador de mandíbulas, cuanto más pequeño es tal ángulo, menor es el grado de desmenuzamiento. (Duda, 1977)

• Cone Crusher – Trituradoras de Cono
Cámara de trituración
Un factor importante en las trituradoras de cono es el nivel de llenado. Al respecto (Eloranta, 2008) recomienda que la cabeza del cono debe estar cubierta con roca y la alimentación debe ser estable y continua para obtener una buena cubicidad de partículas.
La solución podría ser instalar una tolva de compensación, antes de la alimentación de la trituradora. Esto permitiría absorber las fluctuaciones de alimentación normales del proceso.
El nivel de llenado de la trituradora, impactará al igual que la distribución en la alimentación, en el modo en que ejerce fuerza la trituradora sobre las partículas y por ende sobre la calidad del agregado producido.

C.S.S. – Closed Side Setting
El C.S.S. (Closed Side Setting) es la distancia más pequeña que separa el cóncavo del manto en la posición completamente cerrada y el O.S.S. (Open Side Setting) corresponde a la máxima distancia en dicha posición (Figura N°4). Esto determina la zona de trituración final y es vital para establecer el tamaño del producto, el consumo de energía y la capacidad de trituración.
El efecto que tiene el tamaño de partícula en la forma de los agregados obtenidos en una trituradora de cono es definido por (Schouenborg, 2008). En la (Figura N° 5) se ilustra como la morfología varía dependiendo cuan cerca está el tamaño de partícula del C.S.S. definido.

• Horizontal Shaft Impactor HSI – Trituradora de Martillos Fijos
Velocidad de rotación

La velocidad angular en un impactor HSI, regula la granulometría final obtenida.
Cada tipo de roca exige la correspondiente velocidad angular, para lograr el caudal máximo con el tamaño de grano más ventajoso. Las velocidades periféricas pequeñas dan una granulometría final gruesa, las altas, inversamente, las suministran finas. (Duda, 1977).

Circuito de trituración
El circuito de trituración puede ser abierto o cerrado, dependiendo del tipo seleccionado se podrá obtener formas de agregado distintas (Figura N° 6).

El circuito cerrado mejora la calidad de producto por retrituración de partículas fuera de los parámetros deseados. Al respecto (Eloranta, 2008), dice que esto mejora la forma mediante frotamiento, proporciona una curva de alimentación constante y retrituración de productos con lajas. En etapas secundarias el circuito cerrado calibra la alimentación para terciarias.
Las variables listadas son sólo algunas de las tantas posibles para ser controladas. Conociendo qué variables del proceso analizar y qué ensayos implementar en cantera para el análisis morfológico del agregado, quedará solo establecer la interacción necesaria entre ambos para poder realizar un control de calidad efectivo (Figura N° 7).
Es posible, que una cantera tenga una serie de ensayos implementados, que le permitan ir ajustando la producción para corregir algún desvío en su producción, pero a partir del aviso se realizan una serie modificaciones que quedan determinadas exclusivamente por recomendaciones del fabricante, experiencia del operador, o algún otro criterio propio de la cantera. Esto no quiere decir que la elección de que variable del proceso modificar va a estar mal, por no haber elegido algo en base a argumentos fundamentados en investigaciones al respecto, por el contrario, probablemente la experiencia del operador, por ejemplo, muchas veces traerá aparejado correcciones en los desvíos producidos. El problema está en que, realizando las correcciones de este modo, no se pueda instrumentar una metodología para determinar con un mayor grado de exactitud, qué modificación corregirá tal desvío. La arbitrariedad con que se corrige dichas situaciones, muchas veces traerá aparejados costos extras por paradas de máquina innecesarias, por productos fuera de límites de calidad establecidos, por rotura de equipos, consumo extra de energía o desgaste prematuro de fungibles y por la pérdida de clientes, entre otros.
Como se puede ver, conocer que variables del proceso con impacto en la calidad modificar en caso de desvíos, solo será una ayuda y dará cierta seguridad a la hora de encarar alguna modificación. Pero todo criterio de modificación de variables, sea en base científica o técnica, experiencia profesional, recomendaciones del fabricante, o algún criterio propio, debería ser validado en base a registros. La pregunta que podría surgir es, por qué no es posible utilizar un criterio probado en investigaciones al respecto y dar por hecho que va a funcionar. El problema está en que las investigaciones están hechas en base a una roca con características petrológicas definidas y a un sistema de procesamiento especifico de la cantera de prueba. Con suerte, se ajustará en gran medida, a canteras con rasgos similares en cuanto a la litología del frente de explotación o en el caso de graveras respecto a la mineralogía del banco aluvional, que cuenten con procedimientos y equipos análogos a los utilizados en la investigación. Dado que esto es poco probable, por la infinidad de combinaciones posibles, será conveniente realizar siempre dicha validación.
La unión de los resultados obtenidos en los ensayos realizados a la muestra “X” tomada en cinta y la batería de variables analizadas correspondientes a esa muestra “X” permitirá tener trazabilidad de los agregados producidos, facilitando la detección temprana de desvíos y el análisis de las modificaciones aplicadas al sistema. Para efectuar esta parte del procedimiento correctamente solo quedaría promover el trabajo conjunto entre el encargado de verificar la calidad en planta y el supervisor de operaciones, ya que el encargado de calidad deberá contar con la información correspondiente a la configuración de los equipos en el momento que haya programado realizar un control del proceso.
Por último, lo ideal sería volcar toda esta información en una base de datos, ya que esto permitirá un control más preciso, y realizar análisis estadísticos en forma sencilla. Sin complejizar mucho más el procedimiento se podría extender la base de datos, a un cuadro de mando que refleje en forma visual lo que está sucediendo en la planta.
La toma de muestras deberá realizarse según un programa de ensayos planeados, que dependerán de la frecuencia con que se establezca realizar los mismos. Este programa debería ser conocido también por el supervisor de operaciones.

CONCLUSIONES
Lograr un control del proceso que permita obtener agregados pétreos con una calidad definida y estable en el tiempo, implica tener interrelacionados los ensayos implementados en cantera, con las modificaciones de variables del proceso. Si no existiese una relación directa entre la muestra analizada en los ensayos y la modificación realizada, no habría ninguna seguridad de que un cambio en la calidad sea asignable a la modificación realizada.
Por otro lado, la selección de los equipos necesarios en planta, debería basarse en ensayos de caracterización del material y de necesidades económicas o comerciales de la cantera.
Poder medir qué modificaciones efectivamente produjeron una corrección en los problemas de calidad del árido producido, permitirá analizar los procedimientos utilizados y validar en base a registros y estadísticas, las decisiones tomadas y los resultados obtenidos. Una vez concretado este paso, se podrá tener mayor certeza que los criterios a utilizar para modificar alguna variable frente a cierta necesidad de producción o situaciones puntuales, tendrá los efectos esperados en el agregado pétreo.

REFERENCIAS
Duda, W. (1977). Manual tecnólogico del cemento. Barcelona: Editores Técnicos Asociados S. A.
Durán, A., & Fueyo, L. (2007). Selección práctica y aplicaciones de los equipos de trituración. Madrid: Fueyo Editores.
Eloranta, J. (2008). Manual de trituración y cribado. Tampere: Metso Minerals.
Schouenborg, B. (2008). Microstructure versus mechanical properties and influence on aggregate production (a contribution to project planning and collaboration). Workshop on Manufactured Sand. Stavanger: SINTEF Building and Infrastructure.
Speight, J. (2015). Asphalt Materials Science and Technology. Butterworth-Heinemann. doi:10.1016/C2013-0-15469-4
Vialidad Nacional. (19 de Febrero de 2020). Pliego Borrador – Edición 2019. Recuperado el 27 de Julio de 2020, de https://www.argentina.gob.ar/obras-publicas/vialidad-nacional/institucional/normativa/investigacion-y-desarrollo