Novedoso método seco de clasificación para arenas trituradas

El siguiente artículo fue premiado como el mejor trabajo presentado en el 3° Congreso Argentino de Áridos, desarrollado durante el 15, 16 y 17 de noviembre de 2017 en el Hotel Quorum de la ciudad de Córdoba.  

*Por H.A. Petit – C.I. Paulo – O.A. Cabrera – E.F. Irassar, de la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires – CIFICEN (UNCPBA-CICPBA – CONICET).

RESUMEN
Las arenas de trituración presentan problemas específicos para su utilización como agregado fino para el hormigón, uno de ellos es el contenido de polvo mayor al permitido por las normas. El exceso de polvo se trata tradicionalmente mediante un proceso de lavado con agua. Este método permite obtener arena conforme, pero implica un elevado consumo de agua, contenido de humedad en los productos y pérdida del material fino en el proceso. El polvo perdido representa una gran parte del costo energético de la molienda y puede ser utilizado en otros mercados. Este trabajo presenta un sistema de separación de arenas de trituración capaz de reemplazar el proceso de lavado. Su principal ventaja es el uso de aire en reemplazo de agua y la obtención del polvo extraído como un subproducto seco. El sistema de clasificación por aire fue puesto a prueba a escala piloto. Dos arenas fueron beneficiadas para su uso como agregado fino y dos puntos de operación del sistema fueron estudiados. El proceso de beneficiación resultó eficaz para reducir el contenido de polvo, siendo útil en zonas donde no se dispone de agua. Se obtuvieron arenas tratadas con rendimientos cercanos al 90% en peso de la alimentación y el polvo como subproducto libre de humedad.

1. Introducción
La principal aplicación de las arenas de trituración consiste en el uso como agregado fino para hormigones y concretos asfálticos. En el caso del hormigón, las arenas de trituración han ganado terreno reemplazando a las naturales de río. La tendencia a nivel mundial sugiere un reemplazo total de arenas naturales por trituradas, debido a restricciones ambientales y económicas [1]. En Argentina esto es sólo posible en un determinado porcentaje debido al marco regulatorio vigente [2]. Las arenas de trituración presentan dos problemas específicos para su utilización como agregado fino. Uno de ellos es un contenido de polvo, (partículas <75 µm), mayor al establecido en las normativas. El otro es la forma de las partículas, que resultan ser angulosas y elongadas, mientras que las naturales presentan granos redondeados con textura superficial lisa [3]. La normativa argentina es relativamente estricta en cuanto al contenido de polvo permitido en agregados finos, que debe ser menor al 3%, y 5% para casos especiales [4]. Actualmente, el exceso de polvo se trata generalmente mediante el lavado con agua. Este método permite obtener arena conforme. Sin embargo, presenta diversos problemas como el elevado consumo de agua (1,5 y 3,5 m3 por tonelada de arena a tratar [5]) y gran contenido de humedad en los productos. El lodo efluente es generalmente bombeado hacia reservorios naturales donde decanta naturalmente. El polvo perdido con el lodo representa una gran parte del costo energético de la molienda y puede ser utilizado en otros mercados, como por ejemplo en la industria polimérica [6-8]. El Laboratorio de Micropartículas de la Facultad de Ingeniería de Olavarría desarrolló un método alternativo de beneficiación de arenas utilizando aire. La ventaja de este proceso es la de obtener dos productos: arena triturada conforme a la normativa y polvo o material fino. El sistema puede ser utilizado en sistemas de producción fijos y móviles que no tengan acceso a grandes volúmenes de agua. El mismo se basa en un clasificador de partículas diseñado específicamente para la tarea de desempolvado de arenas. El diseño se realizó utilizando simulación numérica de alta performance. Luego, un prototipo físico del clasificador fue construido y montado en una planta piloto de beneficiación de arenas para su evaluación mediante diferentes tipos de muestras.

2. Metodología y materiales
2.1 Descripción de la planta de clasificación vía seca y comparación con el proceso tradicional por vía húmeda.

La Figura 1 esquematiza y compara los métodos de separación de arenas por vía seca y por vía húmeda. En la Figura 1a se muestra un esquema de la planta piloto de beneficiación de arenas propuesta. La arena es alimentada al desempolvador (Punto 1), donde se produce la extracción del exceso de polvo. Surgen tres corrientes de producto. El producto más grueso es arena de trituración con un contenido de polvo menor al de la alimentación. Este es considerado el producto primario del proceso y se le denomina arena tratada (AT). La AT es colectada en una tolva en la parte inferior del desempolvador (Punto 2). También es posible operar el desempolvador liberando la AT directamente a una pila a cielo abierto. El producto secundario consiste en el polvo extraído de la arena de trituración y se le denomina fino (F). Este material está compuesto mayormente por partículas de tamaño menor a 75 µm. Este producto se colecta en una tolva en la parte inferior del desempolvador (Punto 3). El aire que clasifica las partículas sale del desempolvador por un ducto (Punto 4). A pesar de operar a bajas velocidades, acarrea parte del material extraído de la arena. El aire y las partículas que escapan son separados en un filtro de mangas (Punto 5). Las partículas se colectan en una tolva en la parte inferior del filtro y forman el producto terciario de la planta (Punto 6). Este producto está compuesto casi en su totalidad por partículas menores a 75 µm con una gran proporción de partículas menores a 35 µm. El tamaño medio de las partículas en este producto es menor al de F, por lo que se lo denomina ultra fino (UF). El aire limpio sale del filtro por un ducto de ventilación (Punto 7), y se dirige hacia el ventilador que proporciona la depresión necesaria para mover el sistema (Punto 8).
La Figura 1b muestra el proceso tradicional de lavado utilizado actualmente en varias explotaciones. La operación tiene lugar en un lavador de tornillos (Punto 9). Éste permite obtener la AT como único producto, con un contenido de humedad residual de 10% en peso [8]. El agua utilizada para ello proviene de sectores no explotados de la cantera. El polvo acarreado por el agua de lavado (lodo) se deposita lugares cercanos, formando primero una laguna de barro y luego un sedimento residual (Punto 10). Este material fino se seca naturalmente y actualmente no se aprovecha. El agua escurre, recargando la napa de dónde proviene (Punto 11).

2.2 Condiciones de operación y casos de estudio
Dos arenas de trituración producidas en la zona de Olavarría fueron utilizadas para la evaluación de la planta de beneficiación de arenas. Una de ellas proveniente de roca dolomítica con un tamaño de partícula entre 0/6 mm (arena dolomítica – AD) y otra producida por la trituración de roca granítica entre 0/3mm (arena granítica – AG). Algunos parámetros de caracterización para las arenas fueron obtenidos experimentalmente y se presentan en la Tabla 1. Se observa que el contenido de polvo es mayor al 5% establecido en la norma IRAM 1512 [3]. El índice de conformidad (IC) es un parámetro que se propuso para tener en cuenta la posición relativa de cada punto de la curva acumulada pasante del agregado respecto de las curvas límites establecidas en la norma IRAM 1627 [11]. Los valores de IC se encuentran entre, 0 si el agregado se encuentra muy lejos de ser ideal, a 1 si la curva acumulada pasante del agregado coincide con el punto medio entre las curvas límites. 

El control del desempolvado se realiza regulando la velocidad del aire que pasa por el equipo, mediante un variador de frecuencia conectado al ventilador de la planta. La Tabla 2 presenta las condiciones de operación utilizadas, el caudal de alimentación a la planta, la potencia requerida y su relación respecto a la capacidad total instalada, el consumo energético por tonelada de alimentación y su costo según precios industriales actualizados.

3. Resultados y discusión
3.1 Análisis de los rendimientos
La Figura 2 presenta los rendimientos de los productos obtenidos en la planta de beneficiación. El eje vertical se presenta en escala logarítmica para una mejor visualización de los resultados. La Figura 2a muestra los resultados para AD en ambas condiciones de operación y la 3b para AG. La línea punteada muestra el rendimiento ideal para las arenas tratadas. Este valor se obtiene eliminando el polvo de la arena cruda hasta el máximo valor permisible por la norma (5%) [3].

Se observa que el rendimiento de la AD tratada ronda el 90 % para la condición 1 y disminuye levemente para la condición 2. Esto se debe a que la mayor velocidad de flujo es capaz de extraer más cantidad de material fino de la arena cruda. Para el caso de F, el rendimiento permanece constante con el aumento de la velocidad del aire. Por otra parte, los UF colectados en el filtro aumentan. Esto confirma el efecto de que una mayor energía es capaz de extraer más material de la arena cruda a pesar de que la cantidad de finos es igual. Los efectos observados para la AG en la Figura 3b son similares. El rendimiento de la AT disminuye levemente con la energía del proceso alejándolo del rendimiento ideal.

3.2 Caracterización de arenas tratadas
Las curvas granulométricas de las arenas AD y AG se observan en la Figura 3 junto con las curvas límites A y B establecidas en la norma IRAM 1627 [10]. Se observa que las granulometrías de la arena cruda no se ajustan a estos límites en el rango de tamaño menor a 150 µm por el alto contenido de polvo. Algo similar ocurre en tamaños de partículas mayores. La AG se encuentra fuera de los límites en 1,18 mm mientras que la AD para las partículas mayores a 600 µm. En el caso de la AD el material resulta ser más grueso que lo especificado. Las granulometrías de las arenas tienen una gradación regular siendo la AD peor graduada que la AG. En la misma Figura se presentan las granulometrías de las AT para cada condición, Figura 3a para AD y 3b para AG. Se puede observar un cambio gradual en la curva de distribución con el aumento de la energía del proceso para ambas arenas. 

Para la AD la condición 1 no alcanza a extraer la cantidad de material necesaria y la curva sigue por encima del límite superior para tamaños de 150 µm. La cantidad de partículas menores a 35 y 75µm mantiene un porcentaje significativo. En cambio, la condición 2 es capaz de extraer una mayor cantidad de material fino. La curva de la AT cumple parcialmente con los límites establecidos y su contenido de partículas menores que 35 y 75 µm disminuye. Para tamaños mayores a 1,18 mm, la curva se mantiene por debajo de la franja granulométrica especificada a pesar del tratamiento. Para la AG la situación es similar. Sin embargo, la AG sin tratar se encuentra más cerca de cumplir los límites. La curva de la AT en ambas condiciones cumple con los límites establecidos con la excepción para tamaños de 1,18 mm.
La Figura 4a presenta los resultados de las experiencias para ambas arenas en términos del IC. Se observa que para la AD el IC muestra un crecimiento con la energía entregada al proceso. Esto indica una mejora en la curva granulométrica. Sin embargo, la curva inicial tiene un índice muy bajo debido a la mala distribución de tamaños por encima de los 600µm. La planta de beneficiación puede mejorar la curva de distribución para tamaños menores, por lo que una mayor energía entregada al proceso no se verá reflejada en un mayor IC. Para la AG el IC índice inicial es mayor debido a que la curva de distribución presenta mayor similitud con los límites establecidos. La extracción de polvo de esta arena hace que la curva se encuentre más cerca de los puntos medios de los límites y su índice IC aumente significativamente.
La Figura 4b representa la variación del contenido de polvo con el consumo de energía para las AT, obtenidas a partir de AD y AG. Se observa una disminución de la cantidad de polvo al aumentar la energía del proceso para ambas arenas. Las líneas punteadas establecen los límites permisibles para agregados finos. Para la AG la condición 1 es suficiente para disminuir el contenido de polvo a valores permitidos. La AD tiene un contenido de polvo más alto y requiere mayor cantidad de energía para poder disminuirlo hasta valores permisibles. 

-Módulo de finura (MF) y peso por unidad de volumen (PUV)
La Figura 5a presenta los resultados del MF para las arenas, que representa de algún modo el tamaño promedio ponderado de las partículas. Al ir eliminando el polvo el MF se incrementa. La tendencia que muestra este parámetro con el incremento de la energía es similar a la que presenta el IC, dado que ambos están asociados a la granulometría de la arena.
La Figura 5b presenta el PUV, el mismo depende de la densidad de las partículas, de la forma, textura superficial y distribución granulométrica, de la humedad y de la energía de compactación empleada. Aquellas granulometrías que poseen una amplia gama de tamaños permiten obtener una mayor compacidad del material granular, dejando un menor volumen para ser ocupado por la pasta de cemento. Al disminuir el contenido de finos, parte de los espacios entre partículas dejan de estar ocupados por el polvo, y por ello el PUV de la arena en estado suelto, disminuye.

– Caracterización de los finos
Los resultados de las granulometrías de los productos F obtenidas por medio de un granulómetro laser se presentan en la Figura 6. En ambos casos se observa que un leve incremento de la finura del material con el aumento de la energía del proceso. Este incremento es más significativo en la AD a pesar de su mayor densidad. Esto se puede atribuir a una mayor cantidad de polvo en la AD, un aumento de la energía puede extraer más material.

4. Conclusiones
El novedoso método seco de clasificación propuesto resultó eficaz para reducir el contenido de polvo de arenas de trituración, y para modificar parcialmente la granulometría de las mismas. Resulta un proceso útil en zonas donde no se dispone de agua. Se obtuvieron rendimientos cercanos al 90% en peso de la alimentación para las arenas dolomíticas y graníticas tratadas. El módulo de finura, índice de conformidad y peso de la unidad de volumen de las arenas estudiadas dieron resultados positivos y consistentes respecto del proceso de beneficiación propuesto. A diferencia del proceso de lavado tradicional, el método propuesto permite obtener además de arena conforme, dos productos secundarios adicionales que poseen alto valor agregado en el mercado.