PROYECTO FODECYT No. 023-2010glifos.concyt.gob.gt/digital/fodecyt/fodecyt 2010.23.pdfmediante el...

CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA –CONCYT-

SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA-SENACYT-

FONDO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA –FONACYT-

CENTRO DE INVESTIGACIONES DE INGENIERÍA –CII-

FACULTAD DE INGENIERÍA

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA –USAC-

INFORME FINAL

DETERMINACIÓN Y EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DEL ÍNDICE DE

REACTIVIDAD PUZOLÁNICA DE DIEZ BANCOS DE MATERIALES DE

LA FRANJA VOLCÁNICA DE GUATEMALA PARA LA INDUSTRIA DEL

CEMENTO

PROYECTO FODECYT No. 023-2010

ING. FRANCISCO JAVIER QUIÑÓNEZ DE LA CRUZ

Investigador Principal

Guatemala, marzo de 2013

AGRADECIMIENTOS

La realización de este trabajo de investigación, ha sido posible gracias al apoyo

financiero dentro del Fondo Nacional de Ciencia y Tecnologìa –FONACYT-,

otorgado por la Secretaría Nacional de Ciencia y Tecnología –SENACYT- y el

Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología –CONCYT-.

EQUIPO DE INVESTIGACIÓN

Investigador Principal Ing. Francisco Javier Quiñónez de la Cruz

Investigadora Asociada MSc. Licda. Ingrid Lorena Benítez Pacheco

Auxiliares de Investigación Ing. Víctor Rafael Rosales Rivas

Ing. Luis Alfredo Ochoa Marroquín

Ing. Pablo José Bautista Gallardo

Inga. Inf. Claudia Carolina Corzo Dardón

Inga. Inf. María Fernanda Terraza Pira

Inga. Inf. Miriam Lucía Calderón Urízar

i

ÍNDICE GENERAL

Pag.

INDICE DE FOTOGRAFÍAS iv

INDICE DE FIGURAS v

INDICE DE TABLAS vi

RESUMEN vii

ABSTRACT viii

PARTE I

I.1. INTRODUCCIÓN 1

I.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4

I.2.1. Antecedentes en Guatemala 4

I.2.2. Justificación del trabajo de investigación 10

I.3.OBJETIVOS 15

I.3.1. General 15

I.3.2. Específicos 15

I.4. METODOLOGIA 15

I.4.1. Definición de los bancos de materiales (Etapa I) 16

I.4.2. Muestreo de materiales (Etapa II) 16

I.4.3. Caracterización física de las muestras (Etapa III) 16

I.4.4. Caracterización mineralógica de las muestras (Etapa IV) 17

I.4.5. Caracterización química de las muestras (Etapa V) 17

I.4.6. Caracterización física y química del hidróxido de calcio (Etapa VI) 17

I.4.7. Determinación del índice de actividad puzolánica de las muestras,

en función de su respuesta mecánica (Etapa VII) 18

I.4.8. Determinación del índice de actividad puzolánica de las muestras,

en función de su reacción química (Etapa VIII) 18

I.5. EQUIPO UTILIZADO EN LA INVESTIGACIÓN

I.5.1. Equipo utilizado para la preparación de las muestras 19

I.5.2. Equipo utilizado para la caracterización física de los materiales 19

I.5.3. Equipo utilizado para la caracterización mineralógica 25

I.5.4. Equipo utilizado para la caracterización química 26

I.5.5.Equipo de medición de conductividad eléctrica y pH 30

I.5.6. Equipo utilizado para la determinación de la reactividad mecánica 30

I.5.7. Equipo utilizado para la determinación de la reactividad química 36

I.6. MATERIALES UTILIZADOS EN LA INVESTIGACIÓN

I.6.1. Materia prima (materiales volcánicos en estudio) 38

I.6.2. Materiales de laboratorio utilizados en la investigación 38

ii

PARTE II

II.1 MARCO TEÓRICO 40

II.1.1. Geología de Centro América 40

II.1.2.Geología de Guatemala 45

II.1.3. Los Materiales Piroclásticos como fuente de aglomerantes 53

II.1.4. Normativa internacional 59

PARTE III

III. 1. RESULTADOS 62

III.1.1.Resultados de la ubicación y cuantificación de la materia prima 62

III.1.2.Resultados de la identificación de los materiales volcánicos 65

III.1.3.Resultados de la caracterización física de los materiales 71

III.1.4.Resultados de la caracterización mineralógica de losmateriales 72

III.1.5.Resultados de la caracterización química de los materiales 77

III.1.6.Resultados de ensayo físico y químico del hidróxido de calcio 80

III.1.7.Resultados de la determinación del índice de actividad

puzolánica de las muestras, en función de su respuesta mecánica 81

III.1.8. Resultados de la determinación del índicede actividad

puzolánica de las muestras, en función de su respuesta química 81

III.2. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS

III.2.1. Sobre la determinación del índice de reactividad puzolánica

de diez bancos de materiales de la franja volcánica de

Guatemala en combinación con hidróxido de calcio, para su

utilización en la producción de un cemento para construcción 85

III.2.2. Sobre la investigación geológica del material volcánico

susceptible de utilizarse con propósitos aglomerantes en Guatemala 87

III.2.3. Sobre la caracterización y evaluación física de las diez

muestras de puzolanas 87

III.2.4. Sobre la caracterización y evaluación mineralógica de las

diez muestras de puzolanas 88

III.2.5. Sobre la caracterización y evaluación química de las

diez muestras de puzolanas 89

III.2.6. Sobre la determinación y evaluación física y química del

hidróxido de calcio y otros materiales que se utilizaron con puzolanas 90

III.2.7. Sobre la determinación y evaluación de la actividad puzolánica

mediante el establecimiento del desarrollo de la resistencia a compresión

de las muestras de puzolana en combinación con otros materiales e

hidróxido de calcio 90

III.2.8. Sobre la determinación y evaluación de la actividad puzolánica

mediante el establecimiento del desarrollo de la reacción química

de las muestras de puzolana en combinación con otros materiales e

hidróxido de calcio 91

PARTE IV

IV.1. CONCLUSIONES 92

IV.2. RECOMENDACIONES 95

iii

IV.3.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 96

IV.4 ANEXOS 104

PARTE V

V.1. INFORME FINANCIERO 105

iv

INDICE DE FOTOGRAFÍAS

Pag.

1. Molino y bolas utilizados en la molturación 19

2. Molino y bolas utilizados en la molturación 19

3. Tamices Nos. 30 y 200utilizados en los ensayos de finura 20

4. Manómetro utilizado en los ensayos de finura, tamiz 325 20

5. Manómetro utilizado en los ensayos de finura, tamiz 325 20

6. Mufla Thermoline 21

7. Mufla Carbolite 21

8. Matraz de Le Chatelier 22

9. Aparato de Permeabilidad al Aire 23

10. Equipo de granulometría por difracción láser 24

11. Equipo de granulometría por difracción láser 24

12. Equipo de Microscopía Electrónica de Barrido 25

13. Equipo de Microscopía Electrónica de Barrido 25

14. Microscopio Estereoscópico 25

15. Difractómetro de Rayos X (DRX) 26

16. Equipo de Flourescencia de Rayos X (FRX) 27

17. Equipo fotométrico NOVA 60 28

18. Tipos de crisoles utilizados en el análisis TG 29

19. Equipo para sellar crisoles en el análisis TG 29

20. Equipo para realizar análisis termogravimétrico 29

21. Equipo de medición de conductividad eléctrica y ph 30

22. Mezcladora mecánica de accionamiento eléctrico 31

23. Balanza OHAUS utilizada para pesar materiales y muestras 32

24. Mesa de Flujo para determinar consistencia de morteros 32

25. Moldes para elaborar especímenes para resistencia a compresión 33

26. Cámara de curado por inmersión de muestras de mortero 34

27. Cámaras de humedad y de inmersión para curado 34

28. Cámara de temperatura y humedad controlada para curarmuestras 35

29. Vernier para medición de muestras de mortero 35

30. Máquina Universal de ensayos mecánicos 36

31. Balanza electrónica OHAUS del LAFIQ/CII/USAC 37

32. Balanza Startorius MA del CETEC 37

33. Vista panorámica del Volcán de Fuego (Chi’gag) 51

34. Vista panorámica del Volcán de Agua (Hunapu) 51

35. Panorámica de un cerro de material volcánico(muestra 1ARIS) 65

36. Panorámica de un cerro de material volcánico (muestra 1M) 66

37. Banco de material volcánico de la muestra 1N 67

38. Banco de material volcánico de la muestra 1P 67

39. Banco de material volcánico de la muestra 1R 68

40. Banco de material volcánico de la muestra 2T 69

41. Banco de material volcánico de la muestra LC 69

42. Banco de material volcánico de la muestra SFA 70

43. Banco de material volcánico de las muestras SX1 y SX2 71

v

ÍNDICE DE FIGURAS

Pag.

1. Disposición del material piro-clástico, en el Cinturón

Volcánico de Guatemala 8

2. Depósitos de puzolanas naturales de origen volcánico en América 14

3. Matraz de Le Chatelier 22

4. Aparato de Permeabilidad 22

5. División estructural y fisiográfica de Guatemala 46

6. Placas tectónicas presentes en Guatemala 47

7. Mapa de fallas tectónicas de Guatemala 48

8. Disposición de material volcánico susceptible de ser utilizado

como puzolana para elaboración de aglomerantes 64

9. Ejemplo de gráfica de distribución de partículas en muestras de

materiales volcánicos, utilizando la técnica de Rayos Láser 74

10. Difractograma de Rayos X de la Muestra No. 1 (1ARIS) 78

11. Difractograma de Rayos X de la Muestra No. 2 (1M) 78

12. Difractograma de Rayos X de la Muestra No. 3 (1N) 79

13. Difractograma de Rayos X de la Muestra No. 4 (1P) 79

14. Curvas termogravimétrica y Diferencial de pasta de cal con

material volcánico 1R, para la edad de 3 días 84

15. Curvas termogravimétrica y Diferencial de pasta de cal

con material volcánico 1R, para la edad de 7 días 84

16. Curvas termogravimétrica y Diferencial de pasta de cal

con material volcánico 1R, para la edad de 28 días 85

vi

ÍNDICE DE TABLAS

Pag.

I. Evolución de la producción de cemento a nivel mundial 11

II. Identificación de los materiales volcánicos investigados 38

III. Mapas Geológicos utilizados en la investigación para

determinar la ubicación de la materia prima 62

IV. Áreas de material volcánico potencialmente disponible

para utilizarse como puzolana mineral 63

V. Resultados de la caracterización física de los materiales

Volcánicos 72

VI. Resultados de caracterización física de los materiales volcánicos 73

VII. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico

de la muestra No. 1, 1ARIS 73

VIII. Resultado de la observación en el microscopio

estereoscópico de la muestra No. 2, 1M 75

IX. Resultado de la observación en el microscopio

estereoscópico de la muestra No. 3, 1N 75

X. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico

de la muestra No. 4, 1P 75

XI. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico

de la muestra No. 5, 1R 75

XII. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico

de la muestra No. 6, 2T 76

XIII. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico

de la muestra No. 7, LC 76

XIV. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico

de la muestra No. 8, SFA 76

XV. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico

de la muestra No. 9, SX1 76

XVI. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico

de la muestra No. 10, SX2 77

XVII. Caracterización química por Fluorescencia de Rayos X (FRX)

(% en masa, CETEC) 80 XVIII. Caracterización química por Fotometría Nova 60 (% masa) 80

XIX. Resultados del análisis de laboratorio del Hidróxido de Calcio

utilizado en la reactividad química de los materiales volcánicos 81

XX. Resumen de los resultados de los ensayos de resistencia a la

compresión para las edades de 7 y 28 días 82

XXI. Porcentaje de consumo de iones calcio en función del tiempo 83

vii

RESUMEN

El alto consumo energético, el incremento sostenido en el precio de los

combustibles fósiles y los grandes volúmenes de emisiones de CO2 , polvos y otros

gases de invernadero derivados de la creciente explosión en la producción de cemento

Portland, condujo a partir de los años 90s a buscar opciones de solución para la

producción de este material. Las principales medidas desarrolladas, generaron lo que

se conoce como cementos mezclados y/o cementos a la medida, que en algunos casos

incorporan adiciones minerales activas. Una de las opciones de gran futuro lo

constituyen los materiales de origen volcánico, y Guatemala cuenta con una gran

variedad de ellos. La selección correcta de la fuente de estos materiales como

adiciones, sin embargo, es un paso crucial para tener éxito en la producción de

cementos, morteros, concretos y otros aglomerantes alternativos.

En esta investigación se determinó de manera experimental, el índice de

reactividad de diez muestras de bancos de materiales de la franja volcánica de

Guatemala en combinación con hidróxido de calcio, para su consideración como

adiciones minerales. Para tal propósito, se seleccionaron las muestras en función de

una exhaustiva búsqueda de información geológica. Posteriormente las muestras

fueron procesadas en los laboratorios y se realizó su caracterización física,

mineralógica y química. Finalmente, se determinó el índice de reacción de las

muestras por procedimientos químicos y mecánicos. Los procesos de laboratorio se

basaron en las recomendaciones vigentes de la Sociedad Americana para Ensayo de

Materiales. La investigación a nivel macro que se desarrolló en la Universidad de San

Carlos de Guatemala fue complementada con los análisis microscópicos que se

desarrollaron en la Universidad Politécnica de Valencia, lo cual fue relevante en este

estudio.

Los resultados obtenidos de los análisis de laboratorio, tanto a nivel macro

como a escala microscópica, evidencian que las muestras de origen volcánico

seleccionadas tienen las características recomendadas por la normativa internacional

para ser consideradas como posibles adiciones minerales o para producción de otros

aglomerantes, sin embargo, necesitan ser procesadas. Por otra parte, los resultados de

la evaluación de la reactividad por procedimientos mecánicos y químicos en matrices

formadas por esos materiales e hidróxido de calcio, indican que todas las muestras

seleccionadas tienen un índice de reactividad intermedio-alto, de acuerdo a las

clasificaciones internacionales para estos materiales. Los resultados indican que las

muestras seleccionadas son fuertes candidatas para su utilización en la producción de

aglomerantes.

Palabras clave

Puzolana, normalización, adiciones minerales, aglomerantes, reactividad puzolánica,

emisiones, cementos mezclados.

viii

ABSTRACT

The high energy consumption, the sustained increase in price of fossil fuels

and the large volumes of CO2 emissions, dust and other greenhouse gases arising from

the growing explosion in the production of Portland cement, led from the 90s to

search solution options for the production of this material. The main measures

developed were those which are known as blended cements and/or cement that in

some cases incorporate active mineral additions. One of the great future options are

materials of volcanic origin, and Guatemala has a large variety of them. The correct

selection of the source of these materials as additions, however, is a crucial step for

success in the production of cement, mortar, concrete and other alternative binders.

This research determined experimentally, the reactivity index of ten samples of

materials from Guatemala volcanic belt in combination with calcium hydroxide, to

consider them as mineral additions. For this purpose, samples were selected based on

an exhaustive search of geological information. The samples were processed in the

laboratory and performed physical characterization, mineralogy and chemistry.

Finally, it was determined the rate of reaction of the sample by chemical and

mechanical methods. The laboratory processes were based on the current

recommendations of American Society for Testing Materials. The macro-level

research that was developed at University of San Carlos of Guatemala was

complemented with microscopic analysis developed in the Polytechnic University of

Valencia, which was significant in this research.

The results of laboratory tests, both at macro and micro scale, show that the

selected volcanic samples are recommended by international standards to be

considered as possible mineral additions or to produce other binders, however need to

be processed. Moreover, the evaluation results of the reactivity by mechanical and

chemical in the matrixes formed by those materials and calcium hydroxide, indicate

that all selected samples have an intermediate-high index of reactivity, according to

international classifications for these materials. The results indicate that the selected

samples are strong candidates for use in producing binders.

Keywords

Pozzolan, standardization, mineral additives, binders, pozzolanic reactivity, emissions,

blended cements

PARTE I

I.1.INTRODUCCIÓN

La producción de cementos se remonta a épocas muy antiguas. La práctica

romana fue el uso de materiales de origen volcánico mezclados con cal y piedra bruta,

agregaron una pequeña cantidad de agua, la necesaria, y la mezclaron hasta lograr una

masa compacta. Los romanos usaron la toba roja o púrpura encontrada cerca de

Nápoles (Pozzouli), después fue molida finamente y mezclada con cal y arena.

Después de la era de los romanos los cementos parecen no haber tenido mucho

desarrollo en prácticas de construcción hasta la Revolución Industrial cuando

requirieron mostrar un mayor progreso y más tarde cuando fue descubierto el cemento

Portland, el cual fue patentado en 1824 por Joseph Aspdin y que se obtiene como

resultado de quemar conjuntamente piedra caliza y arcilla.

El alto consumo energético y los grandes volúmenes de emisiones de gases de

invernadero se convirtieron en amenazas a la sostenibilidad de la producción del

cemento Portland ordinario a partir de los años 90s. Una tonelada de cemento

Portland produce aproximadamente una tonelada de CO2; de1.5 a 10 kg de NOx y

otros gases de invernadero (GHGs). Se precisó entonces delinear estrategias para

poder contribuir a resolver este problema a mediano plazo. Los principios para el

diseño de sostenibilidad que se generaron a partir de 1991 y que guiaron el desarrollo

a gran escala de la EXPO 2000 de Hannover, sugirieron para el caso de la industria

del cemento: usar materiales nativos y más cementos mezclados. En 1999, la

Asociación de Cemento Portland aprobó planes estratégicos para mejorar los aspectos

ambientales, energéticos y de salubridad de la industria. Para facilitar los objetivos de

los planes, la Asociación adoptó una serie de metas voluntarias y creó programas de

premios e incentivos para conseguir los propósitos.

Las medidas principales tomadas para disminuir, o al menos detener el

incremento de las emisiones de CO2 por la producción de cemento, se clasificaron en

dos grandes grupos: a) las orientadas a aumentar la eficiencia del proceso,

disminuyendo el consumo de combustibles; y b) las orientadas a extender el clinker

(producto de la calcinación y posterior molienda de calizas y arcillas), usando

adiciones activas o inertes, que son añadidas en fábrica o a la hora de utilizar el

cemento.

En general, la contribución a la reducción del consumo energético y nivel actual

de emisiones de la producción de cemento de cualquiera de las medidas ya indicadas

es pequeña, en comparación con los incrementos de producción pronosticados. Las

mejoras tecnológicas para aumentar la eficiencia avanzan, pero no con un ritmo tan

dinámico y dependen de las características específicas de la economía del país donde

se realice la producción.

2

De manera que para poder mantener en el año 2014, los niveles de consumo

energético y emisiones del año 2000, la industria del cemento necesitaría reducir las

emisiones en más del 50%. Este reto implicó de forma inobjetable, un cambio de

paradigmas en la producción y utilización del cemento, que permitiera una adecuación

a las exigencias ambientales de esa época. Así que se pensó que cualquier solución al

problema pasaría por la reducción del contenido del clinker puro en los materiales

aglomerantes.

Este hecho posibilitó el surgimiento de un grupo genérico de cementos conocido

como “cementos compuestos” o “cementos mezclados”, que son una mezcla de

cemento Portland ordinario con uno o más materiales inorgánicos que participan en el

proceso de hidratación. Los materiales inorgánicos añadidos son denominados

“adiciones minerales”, que pueden ser mezcladas y molidas íntimamente con el

clinker en fábrica, o mezcladas en obra a la hora de producir concreto o mortero. Las

adiciones minerales más comúnmente empleadas son las cenizas volantes, las escorias

granuladas, la microsílice y las puzolanas naturales (dentro de las cuales se encuentran

los materiales de origen volcánico) y artificiales. Los porcentajes de adiciones

minerales sobrepasan el 50% en países industrializados, principalmente con el uso de

cenizas volantes.

Por otra parte, en los últimos tiempos se ha encontrado que cierta parte de las

adiciones que se consideran “no activas”, es decir “inertes”, llegan a funcionar como

“fillers”, proporcionando matrices más densas que dan como resultado productos más

durables, a causa del efecto de densificación, en adición a su comportamiento frente al

ataque de sulfatos

En Guatemala, el uso de materiales volcánicos como adiciones activas

mezcladas con cemento Portland estaba apenas siendo considerada para los años 80-

90s. No fue sino hasta los años 90s en que se inició la producción de cementos

mezclados, de acuerdo a los requerimientos que las normas internacionales

establecieron, con contenidos de materiales volcánicos (puzolanas) del orden del 15%.

En la actualidad se producen estos tipos de cemento con un aumento en el porcentaje

de adiciones, sin embargo, ese conocimiento no es de dominio público.

En la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala se

realizaron investigaciones preliminares sobre la caracterización de algunos materiales

volcánicos y sedimentarios. El enfoque fue fundamentalmente hacia la parte

geológica y el posible uso de adiciones que reaccionen químicamente con los

productos de hidratación del clinker contenido en el cemento Portland, así como a la

producción de un aglomerante alternativo.

La principal investigación se realizó en los años 1988-1993, conjuntamente con

el Departamento de Materiales de la Universidad de Calgary y apoyados por el Centro

Internacional de Investigaciones para el Desarrollo de Canadá. En ese proyecto se

estableció que Guatemala cuenta con un potencial recurso de origen volcánico que

puede ser utilizado como adiciones en la producción de cemento y experimentación

realizada en la Universidad de Calgary evidenció que los materiales volcánicos de

Guatemala pueden ser de una buena reactividad, cuestión que se recomendó estudiar

con mayor detalle.

3

La presencia y distribución de material volcánico, potencialmente explotable

para la producción de cementos, como adiciones activas, fue entonces comprobada

por trabajos realizados con anterioridad, sin embargo, la selección correcta de la

fuente de estos materiales es un paso crucial para tener éxito en su uso como adición

mineral activa en morteros y concretos. Los materiales volcánicos (puzolanas) existen

en muchas partes del planeta, sin embargo, la selección depende de otros factores,

además de su composición química. Las proporciones relativas de los productos de

reacción dependen en detalle de la química y mineralogía de la puzolana utilizada.

De manera que considerando los aspectos anteriormente vertidos, previo a esta

investigación experimental, surgieron las siguientes preguntas:

1. ¿tienen los materiales volcánicos de Guatemala las características mínimas

como para ser considerados en su utilización como fuente de adiciones

minerales en la elaboración de aglomerantes?

2. Si estos materiales tienen esas características, entonces ¿cuál es el grado de

reactividad cuando se combinan con otros materiales?

Para responder a esas interrogantes se planteó este trabajo, cuyo objetivo general

fue determinar y evaluar el índice de reactividad puzolánica de diez muestras de

materiales de la franja volcánica de Guatemala en combinación con hidróxido de

calcio, para su utilización en la construcción, ya sea como adiciones minerales activas

en la producción de cemento, en su utilización agregándolas en el momento de

producción de morteros y concretos o bien en la producción de un aglomerante

alternativo.

Más específicamente, en este trabajo se plantearon como objetivos la

caracterización de diez muestras de materiales provenientes de la franja volcánica de

Guatemala, que abarcó los aspectos físicos, mineralógicos y químicos.

Posteriormente la determinación del índice de actividad puzolánica para cada una de

ellas, mediante el establecimiento del desarrollo de la resistencia a compresión de las

muestras de puzolanas combinadas con hidróxido de calcio, en función del tiempo.

Finalmente se determinó la actividad puzolánica de las diez muestras, mediante el

establecimiento de la reacción química con hidróxido de calcio.

La importancia del trabajo se respalda en las siguientes aseveraciones:

1. El cemento es un material polémicamente necesario para el desarrollo de la

humanidad, obviamente también para el de Guatemala; la producción de

cemento a nivel mundial crece de forma espectacular, en los últimos diez

años (2002-2012) se duplicó;

2. En la búsqueda de opciones ambientalmente amigables, los científicos han

encontrado opciones en otros materiales como adiciones minerales, como

la ceniza volante, que coincidentemente tiene composición similar a los

materiales volcánicos de Guatemala;

3. Estudios realizados en Canadá han recomendado una investigación

exhaustiva en los materiales volcánicos de Guatemala, sospechando que se

trata de materiales altamente reactivos; de la misma forma, estudios

realizados en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de

4

Guatemala, comprobaron la presencia y distribución de material volcánico

con posibilidades de utilización para la producción de aglomerantes;

4. La bibliografía indica que previamente a cualquier consideración de

utilización deben caracterizarse las materias primas a nivel de laboratorio y

evaluarse los índices de reacción que los mismos tienen.

5. Existe equipamiento en la Universidad de San Carlos para los análisis

macroscópicos de laboratorio en materiales aglomerantes; además, existe

acumulación de experiencia y relaciones nacionales e internacionales que

facilitan el proceso de investigación, por la disponibilidad de asesoría y

posibilidad de utilización de equipamiento para los análisis microscópicos

de laboratorio.

Además de las justificaciones técnicas indicadas, se ha mencionado que la

utilización de estos materiales puede conservar potencialmente el capital natural,

mientras que simultáneamente puede crear el capital social, reduciendo tanto la

degradación del ambiente como los síntomas de la pobreza, teniendo por lo tanto

justificaciones de carácter técnico, ambiental, social y económico.

I.2.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

I.2.1. Antecedentes en Guatemala

Las puzolanas forman parte del cemento de estructuras ancestrales en Egipto,

Grecia y Roma. Según Spence (1982) citado por Day (1992) hay también evidencia en

cerámica, que fueron utilizadas en el período entre 3,000 y 1,500 antes de Cristo, en la

elaboración de morteros con cal. Los ingenieros antepasados encontraron que el uso

de polvos finos de material natural (cenizas volcánicas fueron muy comunes) o

cerámicas molidas podía ser factible para hacer cemento, y consecuentemente

edificaciones de muy alta calidad.

Exámenes han mostrado que el cemento encontrado en muchas partes de las

Grandes Pirámides es de aproximadamente 4,500 años de edad y todavía está en

buenas condiciones; lo cual puede ser contrastado con el cemento Portland moderno

que ha sido usado para reparar monumentos egipcios ancestrales; este último material

se ha agrietado y degradado en solamente 50 años (Davidovits, 1988) citado por Day

(1992).

En épocas ancestrales el descubrimiento de los cementos cal-puzolana permitió

cambios radicales en la construcción a causa del incremento de resistencia en los

materiales; arcos, bóvedas, y también fue posible construir estructuras marinas con

suficiente durabilidad. Los morteros cal-puzolana fueron utilizados como agentes

repelentes al agua, para canales, duchas, tanques y acueductos (Spence, 1983).

Otra evidencia confirma que las puzolanas fueron usadas en el tiempo de los

griegos, ya que los análisis de difracción de rayos X muestran la presencia de material

zeolítico en el rango de 10 a 40% por peso en morteros de cal; estas zeolitas a

menudo se encuentran en tobas y otros materiales puzolánicos de Europa (Davidovits,

1987).

5

El término puzolana viene de la simplificación que en Estados Unidos se dio a

“pozzolan" el cual evolucionó de la localidad de Pozzuoli, Italia, donde los romanos

encontraron un material de origen volcánico reactivo de base silícea, al cual ellos

llamaron “pulvis puteolanus”(Davis, 1950; Spence, 1983).

La práctica romana fue el uso de puzolana mezclada con cal y piedra bruta,

agregaron una pequeña cantidad de agua, la necesaria, y la mezclaron hasta formar

una masa compacta. Los romanos usaron la toba roja o púrpura encontrada cerca de

Nápoles (Pozzouli), después fue molida finamente y mezclada con cal y arena

(Mielenz, 1948).

Después de la era de los romanos los cementos parecen no haber tenido mucha

evolución en prácticas de construcción, hasta la Revolución Industrial cuando

requirieron mostrar un mayor progreso y más tarde cuando fue descubierto el cemento

Portland, el cual fue patentado en 1824 por Joseph Aspdin y que se obtiene como

resultado de quemar conjuntamente piedra caliza y arcilla.

En Inglaterra no fue sino hasta el siglo XVII que las mezclas de trass-cal

importadas desde Alemania fueron utilizadas. Tales mezclas fueron utilizadas

también ampliamente en Holanda para la construcción de puertos y defensas de mar.

Un tema común durante este período parece haber sido que la construcción con esas

puzolanas produjeron materiales de construcción que tuvieron alta durabilidad ante los

agresivos ambientes marinos(Miles, 1974).

El uso contemporáneo de puzolanas naturales fue, y está todavía, a lo ancho de

Europa. En los Estados Unidos muchas investigaciones y usos de puzolanas naturales

ocurrieron después del primer uso sustancial en el acueducto de Los Ángeles en 1912.

En esa estructura 1 x 108 kg de cemento Portland ordinario/puzolana (50% Portland

ordinario y 50% de toba riolítica) fue usado. Los ahorros debido al uso de la puzolana

alcanzaron en esa época los $ 700,000 (una cantidad muy considerable para ese

tiempo) y fue una de las principales razones de su uso por primera vez (Price, 1999).

Investigaciones sobre puzolanas en Estados Unidos mostraron que concretos

de cemento Portland hechos con puzolanas tuvieron propiedades deseables tales como

mejora de la permeabilidad y resistencia a la acción de aguas agresivas. Como

resultado, en 1935 un tipo de puzolana fue utilizada en el dique de Bonneville y en el

dique de Friant en 1942. La presa de Friant marcó el primer uso de una pumicita o la

primera puzolana “real”, mientras que en la presa de Davis en 1950 fue utilizado un

esquisto opalino calcinado. El uso de puzolana en la presa de Friant significó ahorros

por $ 300,000 (Elfert, 1973).

De 1940 a 1973 el Bureau of Reclamation utilizó 360,000 toneladas de

puzolana natural en 7.1 millones de metros cúbicos de concreto; en el mismo período

usaron 275,000 toneladas de ceniza volante (una puzolana artificial) en 5.4 millones

de metros cúbicos de concreto (Price, 1999).

Debe notarse que la principal razón del uso de puzolanas en Estados Unidos

fue el costo. En todos los proyectos donde grandes cantidades de puzolana fue

utilizada, ellas fueron descubiertas muy cerca del sitio de construcción; los costos de

transporte fueron muy pequeños para aplicaciones donde no se requería altas

6

resistencias. Por ejemplo, pizarras locales de Monterrey fueron usadas en los puentes

de San Francisco y Golden Gate. La economía fue el factor determinante, pero las

puzolanas también fueron usadas por su probada resistencia a los álcalis del suelo y

sulfatos (Price, 1999; Meissner, 1950).

Las tempranas aplicaciones de puzolana en civilizaciones antiguas como lo

evidencian las referencias indicadas anteriormente y los usos contemporáneos en

Europa, Asia y América han mostrado que las puzolanas son materiales muy útiles.

Este potencial ha causado el surgimiento de investigación abundante de muchos tipos

de materiales puzolánicos para uso en variadas aplicaciones.

Por otra parte, el alto consumo energético y los grandes volúmenes de

emisiones de gases de invernadero se convirtieron en amenazas a la sostenibilidad de

la producción del cemento Portland ordinario a partir de los años 90s. Una tonelada

de cemento Portland produce aproximadamente una tonelada de CO2; de1.5 a 10 kg de

NOx y otros gases de invernadero (GHGs) (Naik, 2005).

En 1999, la Asociación de Cemento Portland aprobó planes estratégicos para

mejorar los aspectos ambientales, energéticos y de salubridad de la industria. Para

facilitar los objetivos de los planes, la Asociación adoptó una serie de metas

voluntarias y creó programas de premios e incentivos para conseguir los propósitos

(Escalante, 2009).

Los principios para el diseño de sostenibilidad que se generaron a partir de

1991 y que guiaron el desarrollo a gran escala de la EXPO 2000 de Hannover,

sugirieron para el caso de la industria del cemento: usar materiales nativos y más

cementos mezclados (Naik, 2005).

El sostenido incremento del precio de los combustibles fósiles y el previsible

reforzamiento a escala global de las políticas impositivas a productos o producciones

que contribuyen al calentamiento global (impuestos ecológicos) estaba haciendo que

el incremento de costos de la producción de cemento llegara a niveles prohibitivos

para esa industria. Se precisó entonces delinear estrategias para poder contribuir a

resolver este problema a mediano plazo (Hendrik, 2000; Thielen G, 2003).

Las medidas principales tomadas para disminuir, o al menos detener el

incremento de las emisiones de CO2 por la producción de cemento, se clasifican en

dos grandes grupos: a) las orientadas a aumentar la eficiencia del proceso,

disminuyendo el consumo de combustibles; y b) las orientadas a extender el clinker

(producto de la calcinación y posterior molienda de calizas y arcillas), usando

adiciones activas o inertes, que son añadidas en fábrica o a la hora de utilizar el

cemento.

En general, la contribución a la reducción del consumo energético y el nivel

actual de emisiones de la producción de cemento de cualquiera de las medidas ya

indicadas es pequeña, en comparación con los incrementos de producción

pronosticados. Las mejoras tecnológicas para aumentar la eficiencia avanzan, pero no

con un ritmo tan dinámico y dependen de las características específicas de la

economía del país donde se realice la producción (Schmidt, 2002).

7

De manera que para poder mantener los niveles de consumo energético y

emisiones del año 2000, hasta catorce años después (2014), la industria del cemento

necesitaría reducir las emisiones en más del 50%. Este reto implicaría de forma

inobjetable, un cambio de paradigmas en la producción y utilización del cemento, que

permitiera una adecuación a las exigencias ambientales del momento. Así que

cualquier solución al problema pasaría por la reducción del contenido del clinker puro

en los materiales aglomerantes (Martirena, 2005).

Este hecho ha posibilitado el surgimiento de un grupo genérico de cementos

conocido como “cementos compuestos” o “cementos mezclados”, que son una mezcla

de cemento Portland ordinario con uno o más materiales inorgánicos que participan en

el proceso de hidratación. Los materiales inorgánicos añadidos son denominados

“adiciones minerales”, que pueden ser mezcladas y molidas íntimamente con el

clinker en fábrica, o mezcladas en obra a la hora de producir concreto o mortero. Las

adiciones minerales más comúnmente empleadas son las cenizas volantes, las escorias

granuladas, la microsílice y las puzolanas naturales y artificiales. Los porcentajes de

adiciones minerales llegan hasta el 50% en países industrializados, principalmente con

los usos de cenizas volantes.

En Guatemala, el uso de puzolanas como adiciones activas mezcladas con

cemento Portland estaba apenas siendo considerada para los años 80-90s. No fue sino

hasta los años 90s en que se inició la producción de cementos mezclados, de acuerdo a

los requerimientos que las normas internacionales establecieron, con contenidos de

puzolanas del orden del 15%. En la actualidad se producen estos tipos de cemento

con un aumento en el porcentaje de adiciones, sin embargo, ese conocimiento no es de

dominio público.

En la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala se

han realizado investigaciones preliminares sobre la caracterización de algunos

materiales volcánicos y sedimentarios. El enfoque ha sido fundamentalmente hacia la

parte geológica y el posible uso de adiciones que reaccionen químicamente con los

productos de hidratación del clinker contenido en el cemento Portland,

fundamentalmente la portlandita o bien en la producción de un aglomerante similar a

las características de los cementos romanos.

Se ha realizado un extenso reconocimiento geológico para Guatemala en el

estudio Volcanic History of the Guatemalan Highlands, en donde la unidad pómez ya

está caracterizada, describiendo seis unidades y discutiendo su posible origen

(Williams, 1960). Tomando el estudio de Williams como base, McBirney (1963)

detectó material piroclástico en las cercanías de Salamá y Cobán.

El material piroclástico de Quetzaltenango fue cartografiado por Bonis (1966),

como una unidad estratigráfica muy importante. Estudios muy completos se han

realizado sobre estos materiales, desde el punto de vista geológico, tales como

Stratigraphy, mineralogy and distribution of the Sumpango Group Pumice deposits

(McLean, 1970) y Stratigraphy, mineralogy and distribution of the San Cristobal

Group Pumice deposits in Guatemala (Koch, 1970).

En un estudio desarrollado en el Centro de Investigaciones de Ingeniería de la

Universidad de San Carlos de Guatemala, se realizó una reseña del material volcánico

8

en los departamentos de Cobán, El Progreso, Guatemala y parte de Chimaltenango

(Arrivillaga,1987). También se realizó una evaluación del material puzolánico de la

franja volcánica de Guatemala, en la región de occidente, así como de calizas de la

misma zona (Arrivillaga, 1993).

La principal investigación se realizó en los años 1988-1993, conjuntamente

con el Departamento de Materiales de la Universidad de Calgary y apoyados por el

Centro Internacional de Investigaciones para el Desarrollo de Canadá, del cual fue

coordinador por el Centro de Investigaciones de Ingeniería de la Universidad de San

Carlos de Guatemala, el investigador principal de esta investigación. En ese proyecto

se estableció que Guatemala cuenta con un potencial recurso de adiciones para ser

utilizadas en la producción de cemento, la Figura 1 muestra la localización del

material volcánico en el cinturón volcánico de Guatemala, como producto de estos

trabajos. Cuatro bancos de materiales volcánicos fueron evaluados, aunque no se llegó

a conclusiones determinantes.

Figura 1. Disposición del material piro-clástico,

en el Cinturón Volcánico de Guatemala.

Fuente: (Arrivillaga, 1993)

Aunque bastante investigación se realizó, la falta de conocimientos a nivel

general que existían en ese momento, así como la indeterminación de las técnicas

necesarias para su análisis, limitó los alcances en los resultados. Sin embargo,

experimentación realizada en la Universidad de Calgary mostró que los materiales

volcánicos de Guatemala pueden ser de una buena reactividad, cuestión que se

recomendó estudiar con mayor detalle (Day 1992; Quiñónez, 2010). Por otra parte,

ese proyecto fue determinante en el equipamiento de laboratorio de aglomerantes,

necesario para realizar investigación experimental, mismo que permanece vigente y en

buen estado en la actualidad, aunque su subutilización es evidente, a pesar de los altos

costos de adquisición.

9

De las investigaciones realizadas en Guatemala, se pueden citar las cinco

publicaciones sobre la geología guatemalteca en la franja volcánica y algunos

resultados de laboratorio sobre características de materiales volcánicos, como

producto del proyecto antes mencionado (Quiñónez, Fase I 1992) (Quiñónez, Fase II

1993) (Quiñónez, Fase III 1993) (Hernández, 1993) (Arrivillaga, 1993), así como

algunos trabajos de graduación de estudiantes de ingeniería civil.

Los avances en los resultados obtenidos, aún siendo inconclusos, fueron

presentados por el investigador principal de esta investigación en los siguientes

eventos de carácter internacional:

1. Jornadas Iberoamericanas sobre Caracterización de Materiales de

Construcción, en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas

de la Universidad Politécnica de Madrid, Madrid junio de 2001.

2. II Conferencia Internacional de Ecomateriales, Red del Hábitat

Económico y Ecológico, Santa Clara, Cuba, septiembre de 2001.

3. 5º. Simposio Internacional de Estructuras, Geotecnia y Materiales de

Construcción, Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, Cuba,

noviembre de 2002.

4. XIV Bienal Panamericana de Arquitectura de Quito 2004, Quito,

Ecuador, noviembre de 2002.

5. Seminario Taller Internacional de Ecomateriales: Tradición y

Vanguardia, Universidad Técnica Particular de Loja, Loja, Ecuador,

noviembre de 2002.

6. Seminario Taller de Construcciones con Tierra, Centro de Construcción

Tropical –CECAT- del Instituto Superior Politécnico José Antonio

Echeverría, La Habana, Cuba, noviembre de 2005.

7. Seminario Conectando la Ciencia con la Práctica, Facultad de

Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de El Salvador, El

Salvador, noviembre de 2006.

8. Conferencia Taller Componentes y Condicionantes de la Vivienda,

Universidad Autónoma de Chiapas, Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México

noviembre de 2009.

9. III Reunión del Proyecto de Investigación Casa-partes del Programa

Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo, Centro

Experimental de la Vivienda Económica. Córdoba, Argentina,

diciembre de 2006.

La investigación realizada en la Universidad de San Carlos de Guatemala hasta

1993 no permitió llegar a resultados concluyentes por las razones que ya se indicaron.

Después de transcurridos 15 años, el investigador principal de esta investigación

retomó el tema, al observar que los conceptos vertidos en los años 80s y 90s siguen

siendo valederos y más aún, la tendencia en las investigaciones a nivel mundial apunta

a que el desarrollo de estos materiales se está haciendo cada vez de mayor

significancia. Además, las investigaciones experimentales indican que este tipo de

materiales ha llegado a sustituir parcialmente al clinker y muy posiblemente en un

futuro no muy lejano conducirá a su reemplazo, en porcentajes muy significativos,

como base de la producción de cemento.

10

Por otra parte, como producto de la comercialización de cementos en

Guatemala por parte de la cementera nacional y otras empresas multinacionales de

reciente incursión, se han desarrollado investigaciones sobre este tipo de materiales,

cuyos resultados son de difícil acceso, por la naturaleza de la actividad de las

empresas.

De manera que considerando los aspectos anteriormente vertidos, surgieron las

siguientes preguntas:

1. ¿tienen los materiales volcánicos de Guatemala las características

mínimas como para ser considerados en su utilización como fuente de

adiciones minerales en la elaboración de aglomerantes?

2. Si estos materiales tienen esas características, entonces ¿cuál es el

grado de reactividad cuando se combinan con otros materiales?

Para responder a esas interrogantes se planteó este trabajo, cuyo objetivo

general fue determinar el índice de reactividad puzolánica de diez bancos de

materiales de la franja volcánica de Guatemala en combinación con hidróxido de

calcio, para su utilización en la construcción, ya sea como adiciones minerales activas

en la producción de cemento, en su utilización agregándolas en el momento de

producción de morteros y concretos o bien en la producción de un aglomerante

alternativo.

Más específicamente en este trabajo de investigación se plantearon como

objetivos la caracterización de diez muestras de materiales provenientes de la franja

volcánica de Guatemala, que abarcara los aspectos físicos, mineralógicos y químicos.

Posteriormente la determinación del índice de actividad puzolánica para cada una de

ellas, mediante el establecimiento del desarrollo de la resistencia a compresión de las

muestras de puzolanas combinadas con hidróxido de calcio, en función del tiempo.

Finalmente se determinó la actividad puzolánica de las diez muestras, mediante el

establecimiento de la reacción química con hidróxido de calcio, lo cual pretende

explicar someramente los fenómenos que ocurren.

1.2.2. Justificación del trabajo de investigación

La producción de cemento crece de forma espectacular. La evolución del

crecimiento se puede observar en la Tabla 1. Como puede apreciarse, únicamente se

observa una disminución entre 2008 y 2009, producto de los problemas financieros a

nivel mundial, mientras que la producción se duplicó en la última década (2002-2012).

La industria cementera mundial está buscando vías experimentales que

permitan desarrollar cementos que precisen menor energía en su formación, degraden

menos los entornos y emitan menos gases contaminantes a la atmósfera. Esta línea

coincide plenamente con el concepto de sostenibilidad y con alcanzar el cumplimiento

del Protocolo de Kyoto.

El empleo de diferentes subproductos y materiales naturales como alternativas

en la fabricación de cemento se ha revelado como un medio muy efectivo para

alcanzar, en gran parte esa sostenibilidad. Estos materiales alternativos pueden ser

11

incorporados en el proceso de fabricación del cemento como adiciones activas o bien

durante su utilización, en la elaboración de morteros y concretos (Puertas et al.,

2006).

Esta búsqueda ha llevado a encontrar alternativas que ya son utilizadas en

países industrializados para la producción del cemento, como el caso de la ceniza

volante (fly ash). Llama mucho la atención que la composición química y otras

características de los materiales volcánicos de Guatemala coinciden mucho con la

composición y características de las cenizas volantes.

Existen en la actualidad investigaciones experimentales en las cuales se

evalúan, incluso, las características de un nuevo tipo de concreto producido solamente

con ceniza volante activada alcalinamente (AAFA), es decir, sin cemento Portland

comercial (OPC). La activación alcalina de materiales es un proceso químico en el

que se produce rápidamente una transformación parcial o total de los componente

vítreos/amorfos del material en estructuras cementicias compactas. En general, la

activación alcalina puede dar lugar a dos tipos de materiales cementantes: a)

compuestos basados en Si/Ca y b) basados en Si/Al. La activación de metacaolín y de

la ceniza volante (Fly Ash) constituyen ejemplos típicos (Fernández& Palomo, 2007).

Tabla I. Evolución de la producción de cemento a nivel mundial.

AÑO

Producción anual

mundial en millones

de toneladas métricas

1996 1500

1997 1500

1998 1500

1999 1600

2000 1700

2001 1700

2002 1720

2003 1950

2004 2000

2005 2310

2006 2550

2007 2600

2008 2840

2009 2800

2010 3,310

2011 3,400

2012 3,700

Fuente: (http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/cement/mcs-2013-cement.pdf) (enero 2013)

La utilización de este tipo de adiciones combinadas con aditivos super-

plastificantes y una alta compacidad de los agregados en la producción de concretos

http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/cement/mcs-2013-cement.pdf

12

de altas prestaciones y de ultra altas prestaciones está también en fase de

experimentación (Martirena, 2005).

Por otra parte, Dopico et al. (2008) y Middendorf et al. (2005) mencionan que

en los últimos tiempos se ha encontrado que cierta parte de las adiciones que se

consideran “no activas”, es decir “inertes”, llegan a funcionar como “fillers”,

proporcionando matrices más densas que dan como resultado productos más durables,

a causa del efecto de densificación, en adición a su comportamiento frente al ataque

de sulfatos.

Esta búsqueda incesante de opciones está llevando a una verdadera revolución

en la producción del cemento y de sus derivados (morteros y concretos). Como

menciona Bonavetti et al. (2006), es cada vez más frecuente la elaboración de

cementos con dos o más adiciones a partir de la molienda separada de sus

constituyentes, dando origen a la formulación de los cementos a medida.

Un caso muy especial y difundido en India y China, son las llamadas “mini-

plantas de cemento”, consideradas como instalaciones capaces de producir hasta 100

toneladas del material por día. Estas plantas operan generalmente con combustibles

sólidos. En China, esta tecnología ha ganado el mercado, donde funcionan ya más de

5,000 plantas, para producir aproximadamente el 75 % de la producción nacional

(Price, 1999).

Hasta 2010, China producía el 50% del cemento en el mundo; recientemente,

según el reporte de la USGS,se deduce que China produce actualmente el 58% del

cemento del mundo, mientras que India produce el 7%; estos son los dos países de

mayor producción en el mundo hasta diciembre de 2012 (Hendrik, 2013).

Según Falck (1963),el origen de la mayoría de puzolanas volcánicas reactivas

ya ha sido discutido ampliamente, la mayoría de ellas se derivan de rocas

geológicamente jóvenes de formaciones Cenozoicas (Edad Terciaria, 2-65 Ma) o

Cuaternarias (Edad Cuaternaria, hasta 2 Ma). Los materiales volcánicos de

Guatemala tienen esas características (Quiñónez, 2010).

Puzolanas encontradas en diferentes localidades pueden tener similar

composición mineralógica. Day (1992) y Quiñónez (2010), mencionan que en una

comparación de trazas de difracción de rayos X de pómez de Guatemala, toba

Boliviana y Ceniza Volante de Alberta, la similitud entre las trazas es sorprendente;

las tres puzolanas muestran una gran difusión del lomo en las trazas que son indicativo

de un alto contenido de vidrio y hay muy pocos picos indicativos de materiales

cristalinos en los materiales.

Por otra parte, Harris (2008) menciona que esta tecnología puede conservar

potencialmente el capital natural, mientras que simultáneamente puede crear el capital

social, reduciendo tanto la degradación del ambiente como los síntomas de la pobreza.

En Centro América y el Caribe, las puzolanas de mayor trascendencia parecen

estar localizadas en Guatemala. Day (1992) y Quiñònez (2010), indican que hay

cenizas volcánicas y depósitos de pómez cerca de la Ciudad de Guatemala, los cuales

son potencialmente convenientes para los asentamientos en la ciudad. También hay

13

depósitos de tierra de diatomeas. La Figura 2 muestra la localización de materiales

volcánicos en América; se puede observar la presencia de abundante material

volcánico en la zona central de Guatemala.

La presencia y distribución de este material volcánico, potencialmente

explotable, como adiciones activas para la producción de aglomerantes, también fue

comprobada por el trabajo realizado con anterioridad en Guatemala (Arrivillaga,

1993) y (Arrivillaga, 1987), lo cual se puede apreciar en la Figura 1.

Las puzolanas existen en muchas partes del planeta, sin embargo, la selección

depende de otros factores, además de su composición química. Los principales

productos de reacción son el hidrato silicato cálcico (CHS) y pequeñas cantidades de

etringita, hidrogranates y aluminatos hidratados. Las proporciones relativas de los

productos dependen en detalle de la química y mineralogía de la puzolana utilizada.

Como indica Middendorf (2005), la selección correcta de la fuente de puzolana es

un paso crucial para tener éxito en su uso como adición mineral activa en

cementos, morteros y concretos.

De manera que en resumen, la ejecución del trabajo que aquí se presenta tiene

su justificación en las siguientes aseveraciones:

1. El cemento, aún siendo su producción un tema muy controversial, es un

material necesario para el desarrollo de la humanidad, obviamente también

para el de Guatemala.

2. En la búsqueda de opciones ambientalmente amigables, los científicos han

encontrado opciones en otros materiales como la ceniza volante, que

coincidentemente tiene composición y características similares a los materiales

volcánicos de Guatemala.

3. Estudios anteriores realizados en Canadá han recomendado una investigación

exhaustiva en los materiales volcánicos de Guatemala, sospechando que se

trata de materiales altamente reactivos.

4. En estudios anteriores realizados en la Facultad de Ingeniería de la

Universidad de San Carlos de Guatemala, se ha corroborado la presencia y

distribución de material volcánico apto para la producción de aglomerantes,

por sus características, disposición estratigráfica y abundancia.

5. Las experiencias en China e India muestran que es factible la producción de

cementos en pequeñas plantas, sobre todo aquellos de tipo no estructural, lo

cual si se implementara en Guatemala conllevaría un fuerte impacto

económico y social en las comunidades guatemaltecas. Hace falta, sin

embargo, realizar exhaustivas investigaciones sobre la reactividad de los

materiales y sobre las dosificaciones para propósitos específicos.

6. La bibliografía indica que previamente a cualquier consideración de utilización

o evaluación de este material como alternativa aglomerante, deben

caracterizarse las materias primas a nivel de laboratorio.

14

7. Existe equipamiento de laboratorio en la Facultad de Ingeniería la Universidad

de San Carlos para los ensayos experimentales en materiales aglomerantes,

como resultado del proyecto anterior. El equipo es costoso y se encuentra en

buen estado, aunque con escaso uso.

8. Existe acumulación de experiencia y relaciones nacionales e internacionales en

el Centro de Investigaciones y en la Escuela de Ingeniería Civil de la Facultad

de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala que facilitan el

proceso de investigación, por la disponibilidad de asesoría y posibilidad de

utilización de equipamiento de otros laboratorios sofisticados.

9. La bibliografía existente indica que previamente a cualquier iniciativa de

explotación de este recurso, deben establecerse a nivel de laboratorio, los

índices de reactividad de los materiales potenciales.

Figura 2. Depósitos de puzolanas naturales de origen volcánico en América

Fuente:(Day, 1992)

15

I.3. OBJETIVOS

I.3.1. General

Determinar el índice de reactividad puzolánica de diez bancos de materiales de la

franja volcánica de Guatemala en combinación con otros materiales, para su

utilización en la producción de un cemento para construcción.

I.3.2. Específicos

I.3.2.1. Determinar el índice de reactividad puzolánica de diez bancos de materiales de

la franja volcánica de Guatemala en combinación con hidróxido de calcio, para su

utilización en la producción de un cemento para construcción.

I.3.2.2. Caracterizar y evaluar físicamente las diez muestras de puzolanas.

I.3.2.3. Caracterizar y evaluar mineralógicamente las diez muestras de puzolanas.

I.3.2.4. Caracterizar y evaluar químicamente las diez muestras de puzolanas.

I.3.2.5. Caracterizar y evaluar física y químicamente el hidróxido de calcio y otros

materiales que se utilizarán para el uso con puzolanas.

I.3.2.6. Determinar y evaluar la actividad puzolánica mediante el establecimiento del

desarrollo de la resistencia a compresión de las muestras de puzolanas en combinación

con otros materialese hidróxido de calcio.

I.3.2.7.Determinar y evaluar la actividad puzolánica mediante el establecimiento del

desarrollo de la reacción química de las puzolanas con otros materiales e hidróxido de

calcio.

I.3.2.8. Divulgar a las autoridades, actores sociales e instituciones en el campo de su

competencia la información obtenida de la investigación.

I.4 METODOLOGIA

El trabajo de investigación que se reporta en este informe se realizó en el Centro

de Investigaciones de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de

Guatemala, específicamente en los laboratorios de la Sección de Ecomateriales, cuyos

datos de localización, elevación y temperatura (www.insivumeh.gob.gt.html, 2012) se

indican a continuación.

Longitud: - 90 33’ 06.25”

Latitud: + 14 35’ 17.46”

Elevación: 1476 msnm

Temperatura máxima: 25.5 C

Temperatura mínima: 15.3 C

Temperatura media: 19.8 C

http://www.insivumeh.gob.gt.html/

16

Para el desarrollo de la investigación, la metodología que se utilizó se presenta

en ocho etapas, en función de los objetivos del proyecto, las cuales se describen en los

numerales I.4.1 a I.4.8. Es muy importante mencionar que los análisis de

caracterización de las muestras fueron precedidos de la preparación y molienda de las

mismas, cuyo tiempo de ejecución fue muy largo y constituyó la parte operativa de

mayor trabajo físico.

I.4.1. Definición de los bancos de materiales (Etapa I)

La determinación de los bancos de materiales se definió en función de las

investigaciones geológicas ya realizadas. Especial importancia y prioridad se dio para

cada banco en particular, al perfil estratigráfico de los suelos, régimen de tenencia de

los bancos, perfil del recurso en función de las recomendaciones establecidas en la

literatura, localización en un radio máximo de acción de comunidades de escasos

recursos, localización cercana de materiales calizos, facilidad de acceso e interés de

las poblaciones cercanas a los bancos. Una fuerte investigación bibliográfica y de

campo precedió a esta determinación. En este proceso se encontró información muy

valiosa de la parte geológica que abarcó más tiempo del considerado y del cual se

incluye la parte que se consideró más importante de acuerdo con los objetivos de esta

investigación.

I.4.2. Muestreo de materiales (Etapa II)

El muestreo de materias primas se realizó de acuerdo con las recomendaciones

de la designación ASTM C311- 11b“Standard Test Methods for Sampling and Testing

Fly Ash or Natural Pozzolans for Use in Portland-Cement Concrete”,numerales 5.1 y

5.2. (ASTM, 2011).

I.4.3. Caracterización física de las muestras (Etapa III)

La caracterización física de los materiales volcánicos se realizó de acuerdo con

las recomendaciones de la designación ASTM C593-06(2011)Standard Specification

for Fly Ash and Other Pozzolans for Use with Lime for Soil Stabilization, numerales

4.1 y 4.2. (ASTM, 2011). Los métodos de ensayo se ajustaron a los requerimientos de

los numerales 6, 7 y 8 de la norma.

Los ensayos de determinación de la fracción soluble en agua se realizaron de

acuerdo al procedimiento establecido en el numeral 7.1. de la misma norma y el

cálculo del resultado se efectuó de acuerdo al procedimiento establecido en el numeral

7.2.

Los ensayos de finura se realizaron de acuerdo al procedimiento establecido en

el numeral 8.1 de la misma norma.

Los ensayos de contenido de humedad se realizaron de acuerdo al procedimiento

establecido en los numerales 11 y 12 de la misma norma.

Los ensayos de pérdida por ignición se realizaron de acuerdo al procedimiento

establecido en los numerales 13 y 14 de la misma norma.

17

Los análisis de distribución de partículas por la técnica de Rayos Laser fueron

realizados en el Laboratorio de Química de Materiales del Instituto de Ciencia y

Tecnología del Hormigón de la Universidad Politécnica de Valencia. Estos análisis

fueron complementarios a los establecidos en el protocolo de la investigación y

constituyen un valor agregado muy importante que la enriquece considerablemente.

I.4.4. Caracterización mineralógica de las muestras (Etapa IV)

La caracterización mineralógica se realizó por medio de la observación en un

microscopio estereoscópico. Esta caracterización se realizó en el Centro de Estudios

Superiores de Energía y Minas de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San

Carlos de Guatemala, cuya institución dispone de los equipos necesarios para realizar

las determinaciones. Los resultados obtenidos de esta caracterización sirvieron de base

para la confirmación de la realización de la caracterización química de cada una de las

muestras.

La caracterización cristalográfica mediante Difracción de Rayos X (DRX) fue

realizada en el Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón de la Universidad

Politécnica de Valencia utilizando el Difractor de Rayos X con que cuenta el

laboratorio de Química de Materiales. Estos análisis fueron complementarios a los

establecidos en el protocolo de la investigación y constituyen un valor agregado muy

importante que enriquecen considerablemente los resultados.

I.4.5. Caracterización química de las muestras (Etapa V)

La caracterización química se realizó de acuerdo con las recomendaciones de la

designación ASTM C311- 11b “Standard Test Methods for Sampling and Testing Fly

Ash or Natural Pozzolans for Use in Portland-Cement Concrete”, numeral 10

(ASTM, 2011). Los métodos de ensayo se ajustaron a los requerimientos de los

numerales 11 a 15 de la norma.

La determinación de óxido de sílice, óxido de aluminio, óxido de hierro, óxido

de calcio, óxido de magnesio, trióxido de azufre, óxido de sodio y óxido de potasio se

realizó de acuerdo con el procedimiento establecido en el numeral 15 de la misma

norma.

La caracterización química fue realizada en el Centro de Investigaciones de

Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala. La caracterización química

mediante Espectrometría de Fluorescencia de Rayos X (FRX) también pudo ser

realizada gracias a la colaboración de una empresa privada del sector productivo de

Guatemala, la cual solicitó que se reservara su nombre.

I.4.6. Caracterización física y química del hidróxido de calcio (Etapa VI)

La caracterización física y química del hidróxido de calcio que se utilizó para la

determinación del índice de actividad puzolánica de las muestras extraídas de los

bancos de materiales volcánicos, se realizó de acuerdo con las recomendaciones de la

norma ASTM C821-09 “Standard Specification for Lime for Use with Pozzolans”

(ASTM, 2011). Esta especificación cubre todos los tipos de cal hidratada comercial

para uso con puzolanas, tales como: altamente cálcica; magnesiana o cal hidratada

18

dolomítica. Las caracterizaciones se realizaron de acuerdo con los numerales 1 a 5.

Los métodos de ensayo se ajustaron a lo establecido en el numeral 6 de la norma.

La finura por el procedimiento del Aparato de Permeabilidad al Aire de Blaine

se determinó de acuerdo con el procedimiento indicado en el numeral 6.2 de la norma.

El Índice de Receptividad Puzolánica se determinó de acuerdo con las

recomendaciones de los numerales 6.3 y 6.4 de la norma.

I.4.7. Determinación del índice de actividad puzolánica de las muestras, en

función de su respuesta mecánica (Etapa VII)

La caracterización mecánica se realizó de acuerdo con las recomendaciones de

la designación ASTM C593-06(2011)Standard Specification for Fly Ash and Other

Pozzolans for Use with Lime for Soil Stabilization, numeral 9 (ASTM, 2011). Los

métodos de ensayo se ajustaron a los requerimientos de los numerales 9.1 a 9.8 de la

norma.

Previamente a la determinación de la resistencia a compresión de las muestras,

se realizaron los ensayos en la mesa de flujo de acuerdo con las recomendaciones del

numeral 9.6 de la norma.

Las muestras de ensayo se elaboraron de acuerdo con las recomendaciones del

numeral 9.7 de la norma y los ensayos a las edades indicadas se realizaron de acuerdo

con el numeral 9.8 de la norma. Para cada uno de los bancos seleccionados se

elaboraron 9 muestras para el ensayo a compresión.

I.4.8. Determinación del índice de actividad puzolánica de las muestras, en

función de su reacción química (Etapa VIII)

Adicionalmente a la determinación de la actividad puzolánica en base a la

respuesta mecánica de las muestras, lo cual es una medida cuantitativa; se realizó

experimentación para observar de manera cualitativa ese índice de reacción.

Esta experimentación se realizó mediante la disolución saturada de Ca(OH)2.

Para ello se prepararon mezclas de 75 ml de la disolución de Ca (OH)2 y un gramo de

residuo sólido. Las muestras permanecieron herméticamente cerradas en un horno a

40 C hasta las edades de ensayo que fueron1, 3 y 7 días, tras las cuales se determinó la

concentración de CaO y (OH). El procedimiento recomendado en la norma EN 196-

5:2005 “Pozzolanicity test for pozzolanic cement” (European Standards (2011),sirvió

de base para este propósito. Esta determinación es adicional a los requerimientos

establecidos en las normas.

El procedimiento indicado en la norma EN 196-S también se utilizó con

propósitos de la evaluación de la reactividad química en el Laboratorio de Química de

Materiales del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón de la Universidad

Politécnica de Valencia, mediante el uso de la técnica Termogravimétrica, utilizando

el equipo sofisticado de ese laboratorio.

19

I.5. EQUIPO UTILIZADO EN LA INVESTIGACIÓN

I.5.1. Equipo utilizado para la preparación de las muestras

I.5.1.1. Molino de bolas

Estudios realizados sobre las puzolanas naturales de Guatemala han

demostrado que son más activas si se reduce el tamaño de partícula delas puzolanas

originales. Para la molienda de los materiales volcánicos originales se utilizó un

molino de bolas marca Patterson, serie 387564,C.O. No. 1988, de 0.10 metros cúbicos

de capacidad, que consiste en un recipiente metálico revestido de material cerámico,

de la casa Patterson Industries Canada Ltda., movido por un motor SEW tipo FA40A,

radio 44.89. En el molino se introdujeron 75 kilogramos de bolas de

aproximadamente 28 mm de diámetro del mismo material cerámico que el

recubrimiento del molino. El material volcánico fue introducido dentro del molino y

afinado con las bolas mediante choque y fricción al hacer girar el tambor del molino.

La cantidad de material volcánico que se introdujo y el tiempo de molturación

determinaron la finura del producto resultante. Este equipo se ilustra en las

Fotografías Nos. 1-2 y se encuentra ubicado en la Sección de Ecomateriales del

Centro de Investigaciones de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San

Carlos de Guatemala.

Fotografías Nos. 1 y 2.Molino y bolas utilizados en la molturación.

Fuente: Proyecto FODECYT 023-2010

I.5.1.2. Tamiz de ¼”

Para la preparación de las muestras se utilizó un tamiz de ¼”. El material

volcánico fue pasado en esa malla antes de introducirse en el molino para eliminar la

parte gruesa de la muestra.Este equipo se encuentra en la Sección de Ecomateriales

del Centro de Investigaciones de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San


I.5.2. Equipo utilizado para la caracterización física de los materiales volcánicos

I.5.2.1. Tamices No. 30, 200 y 325

20

Los ensayos para determinar el porcentaje de materiales volcánicos que pasa por

los tamices 30 y 200 se realizaron con los tamices 30 y 200 (ver Fotografías Nos. 3-5)

que satisfacen los requerimientos de la norma ASTM E11-09e1 “Specification for

Wire Cloth and Sieves for Testing Purposes” (ASTM, 2011). Para la determinación

del porcentaje que pasa el tamiz 325, se utilizó un tamiz 325 marca Humboldt modelo

H-3807, que satisface los requerimientos de la misma norma ASTM E11-09e1

“Specification for Wire Cloth and Sieves for Testing Purposes” (ASTM, 2011), y

además un manómetro con chorro, de acuerdo a los requerimientos de la norma

ASTM C430-08 “Standard Test Method for Fineness of Hydraulic Cement by the 45

µm (No. 325) Sieve”(ASTM, 2011).. Este equipo se encuentra en las Secciones de

Suelos y de Agregados, Concretos y Aglomerantes del Centro de Investigaciones de la

Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala.

Fotografía No. 3. Tamices Nos. 30 y 200utilizados en los ensayos de finura.


Fotografías Nos. 4 y 5. Manómetro utilizado en los ensayos de finura, tamiz 325.


I.5.2.2. Muflas

Este equipo fue utilizado para determinar el porcentaje de pérdida por ignición

de los materiales volcánicos. Las Muflas que se utilizaron fueron las siguientes:

- Mufla Thermoline 1400 50-60 Hz, 30 Amp, 4500 watts (Ver Fotografía No.

6).

21

- Mufla Carbolite RHF 1400 QC-07-03.00, 220 V; 1 fase; 50-60 Hz; 30 Amp

y 4500 watts (Ver Fotografía No. 7).

Fotografía No. 6.Mufla Thermoline Fotografía No. 7 Mufla Carbolite


La mufla Thermoline se encuentra en la Sección de Química Industrial del

Centro de Investigaciones de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San

Carlos de Guatemala -LQI/CII/USAC-. La mufla Carbolite pertenece al Laboratorio

del Centro Tecnológico –CETEC-.

I.5.2.3. Matraz de Le Chatelier

Este equipo fue utilizado para la determinación del peso específico de los

materiales volcánicos que ya pasaron el proceso de molturación y satisface los

requerimientos de la norma ASTM C188-09 “Standard Test Method for Density of

Hydraulic Cement” (ASTM, 2011).El equipo se encuentra en la Sección de Concretos

y Aglomerantes del Centro de Investigaciones de la Facultad de Ingeniería de la

Universidad de San Carlos de Guatemala (ver Figura 3 y Fotografía No. 8)..

I.5.2.4. Equipo de Permeabilidad al Aire

Este equipo se utiliza para determinar la finura Blaine de los materiales

volcánicos por el procedimiento de permeabilidad al aire, consiste fundamentalmente

de una celda y tapadera y de un manómetro. El equipo cumplió con los

requerimientos de la norma ASTM C-204-07“Standard Test Method for Fineness of

Hydraulic Cement by Air – Permeability Apparatus” (ASTM, 2011).El equipo se

encuentra en la Sección de Concretos y Aglomerantes del Centro de Investigaciones

de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala –

CII/USAC- (ver Figura 3 y Fotografía No. 9).

I.5.2.5. Otros equipos menores

Para la determinación de pérdida por ignición, densidad y fracción soluble en

agua se utilizaron otros equipos menores como balanzas, bandejas, palas, cucharones,

crisoles, frascos Erlenmeyer. Estos equipos menores se encuentran en las Secciones

22

de Concretos y Aglomerantes, en la de Mecánica de Suelos y en la de Ecomateriales

del Centro de Investigaciones de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San

Carlos de Guatemala –CII/USAC-.

Figura 3. Matraz de Le Chatelier Fotografía No. 8. Matraz de Le Chatelier

Fuente: ASTM C188-09(ASTM, 2011) Fuente: Proyecto FODECYT 023-2010

Figura 4. Aparato de ensayo de Permeabilidad al Aire.

Fuente: ASTM C204-07(ASTM, 2011).

23

Fotografía No. 9. Aparato de Permeabilidad al Aire


I.5.2.6. Granulómetro por Difracción Láser (GDL)

El fenómeno de la difracción láser se basa en que cuando un frente de

ondas(luz) llega a un obstáculo se produce una dispersión del frente, de modo que se

producen una serie de interferencias constructivas, que dan lugar a un patrón de

difracción. La radiación láser es la utilizada por los equipos de granulometría para

analizar los distintos tamaños de partícula del material escogido. Para la

determinación de la distribución de tamaños de partículas se utilizó el analizador de

tamaños de partícula Mastersizer 2000 de Malvern Instruments y puede verse en las

Fotografías Nos. 10 y 11. Las principales características de este aparato son:

Rango de medida en la franja de 0,02 a 2000 micras.

Principio de medición: dispersión de Fraunhofer y Mie

Fuentes de luz

Luz roja: Láser de helio neón

Luz azul: Fuente de luz de estado sólido

Sistema de detección

- Luz roja:

Dispersión frontal

Dispersión lateral

Retrodifracción

- Luz azul

Dispersión de ángulo amplio frontal

Retrodispersión

24

Fotografías Nos. 10 y 11. Equipo de granulometría por difracción láser.

Fuente: Soriano Martínez, 2007

El equipo que se utilizó se encuentra en el Laboratorio de Química de

Materiales del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón –ICITECH- de la

Universidad Politécnica de Valencia –UPV-.

I.5.2.7. Microscopio Electrónico de Barrido (SEM)

En muchos campos de la química, ciencia de materiales, geología y biología,

está siendo cada vez más importante el conocimiento detallado de la naturaleza física

y de la naturaleza química de las superficies de los sólidos a escala submicrométrica.

Para obtener una imagen por microscopia electrónica, la superficie de una

muestra sólida es barrida según un modelo raster con un haz de electrones muy fino.

Un raster es un modelo de barrido similar al utilizado en un tubo de rayos catódicos,

en el que un haz de electrones barre la superficie en línea recta, vuelve a la posición

inicial y es desplazado hacia abajo una distancia establecida. Este proceso se repite

hasta que él área deseada de la superficie ha sido barrida. Al barrer la superficie con

una pistola de electrones de energía elevada se producen diversos tipos de señales.

Estas señales incluyen electrones retrodispersados, secundarios y Auger, además,

fluorescencia de rayos X y otros fotones de diversas energías. Todas estas señales se

han utilizado en estudios de superficies, pero las más usuales son las que corresponden

a electrones retrodispersados y secundarios, que sirven de base a la microscopia de

barrido de electrones y a la fluorescencia de rayos X, que se utiliza en el análisis con

microsonda de electrones.

En este estudio se utilizó el equipo de microscopía JEOL JSM6300, aplicando

ala muestra un voltaje de 20 KV para la obtención de imágenes y puede verse en las

Fotografías Nos. 12 y 13.

Las muestras deben ser metalizadas para facilitar la conductividad eléctrica de

las mismas. El recubrimiento de dichas muestras se realizó con oro, porque se

obtienen imágenes más nítidas que con carbono. El recubrimiento con oro se realizó

utilizando el equipo BALTEC SCD 005. El equipo que se utilizó se encuentra en el

Laboratorio de Microscopía Electrónica del Departamento de Física de la Universidad

Politécnica de Valencia –UPV-.

25

Fotografías Nos. 12 y 13. Equipo de Microscopía Electrónica de Barrido

.

Fuente: Soriano Martínez, 2007

I.5.3. Equipo utilizado para la caracterización mineralógica

I.5.3.1. Microscopio Estereoscópico

Para la determinación del color, estructura, composición química presunta y

composición mineralógica de los materiales volcánicos su utilizó un microscopio

estereoscópico marca LEITZ con aumentos entre 5X y 40X, el cual se muestra en la

Fotografía No. 14 y se encuentra en el Centro de Estudios Superiores de Energía y

Minas –CESEM-, de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de

Guatemala.

Fotografía No. 14. Microscopio Estereoscópico.


I.5.3.2. Difractómetro de Rayos X (DRX)

La espectroscopía de Rayos X, al igual que la espectroscopía óptica, se basa en

la medida de la emisión, absorción, dispersión, fluorescencia y difracción de la

radiación electromagnética. Los rayos X se definen como una radiación

electromagnética de pequeña longitud de onda, producida por la desaceleración de

26

electrones de elevada energía o por transiciones electrónicas que implican electrones

de los orbitales internos de los átomos. Al igual que con los otros tipos de radiación

electromagnética, la interacción entre el vector eléctrico de la radiación X y los

electrones de la materia por la que pasa da lugar a una dispersión. Cuando los rayos X

son dispersados por el entorno ordenado de un cristal, tienen lugar interferencias

(tanto constructivas como destructivas) entre los rayos dispersados ya que las

distancias entre los centros de dispersión son del mismo orden de magnitud que la

longitud de onda de la radiación. El resultado es la difracción.

El método de rayos X de polvo cristalino se basa en el hecho que cada

sustancia cristalina da una única figura de difracción. Así, si se puede encontrar un

ajuste exacto entre la figura de difracción de una muestra desconocida y el patrón de

difracción de una sustancia conocida, se puede asumir su identidad química y

mineralógica.

En este caso, el estudio por difracción de rayos X mostró si se trataba de

sustancias cristalinas o por el contrario tienen una estructura amorfa, y cuál es su

composición mineralógica cualitativa.

El difractómetro de rayos X utilizado fue el modelo Philips PW1710, mostrado

en la Fotografía No. 15. Este equipo se encuentra en los Laboratorios de Química de

Materiales del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón –ICITECH-, de la

Universidad Politécnica de Valencia –UPV-. Los procedimientos, manejo de equipo e

interpretación de resultados se recibieron del equipo humano de investigación del

mismo Laboratorio de Química de Materiales. La información aquí presentada

respecto del equipo y los procedimientos se extrajo de los trabajos doctorales de

Soriano (2007) y Piles (2006).

Fotografía No. 15. Difractómetro de Rayos X (DRX)

Fuente: Piles 2006

I.5.4. Equipo utilizado para la caracterización química

I.5.4.1. Equipo de Fluorescencia de Rayos X (FRX)

27

Este equipo se utilizó para la realización de los análisis químicos cualitativos y

cuantitativos de los materiales volcánicos por el método de Fluorescencia de Rayos X,

después del proceso de molturación. El equipo se muestra en la Fotografía No. 16, es

de la marca Thermo y se encuentra ubicado en los Laboratorios del Centro

Tecnológico de Cementos Progreso –CETEC-.

Fotografía No. 16. Equipo de Flourescencia de Rayos X (FRX)


I.5.4.2. Equipo Fotométrico

Este equipo se utilizó para la realización de los análisis químicos cualitativos y

cuantitativos de los materiales volcánicos por el método fotométrico, después del

proceso de molturación. El equipo es de la marca Nova 60, se puede observar en la

Fotografía No. 17 y se encuentra ubicado en los Laboratorios de Análisis

Fisicoquímicos del Centro de Investigaciones de la Facultad de Ingeniería de la

Universidad de San Carlos de Guatemala –LAFIQ-QI-CII/USAC-. El procedimiento

de análisis consistió en un ataque ácido de agua regia de las muestras para su

disolución y luego aforadas a 200 ml para su posterior análisis utilizando los

Espectroquant de calcio, magnesio, sílice, aluminio y hierro para su determinación.

I.5.4.3. Análisis termogravimétrico

La definición generalmente aceptada de análisis térmico abarca al grupo de

técnicas en las que se mide una propiedad física de una sustancia y/o productos de

reacción en función de la temperatura, mientras la sustancia se somete a un programa

de temperatura controlado. Se puede distinguir más de una docena de métodos

térmicos, que difieren en las propiedades medidas y en los programas de temperatura.

El método usado en este trabajo fue la termogravimetría (TG), donde se

registró continuamente la variación de masa de una muestra colocada en una

atmósfera controlada, en función de la temperatura, o del tiempo, al ir aumentando la

temperatura de la muestra. La representación de la masa o del porcentaje de masa en

función del tiempo se denomina termograma o curva de descomposición térmica.

28

Fotografía No. 17. Equipo fotométrico NOVA 60


En el estudio de las pastas de cemento/puzolana y de cal/puzolana la

utilización de esta técnica es muy útil, porque permite observar la pérdida de masa

debida a reacciones de deshidratación. Las reacciones de deshidratación que

normalmente se observan son las siguientes:

Ca(OH)2 & CaO + H2O

SCH & SC + H2O (C1)

ACH & AC + H2O

SACH & SAC + H2O

SCH, ACH y SACH es la nomenclatura de silicato cálcico hidratado,aluminato

cálcico hidratado y silicoaluminato cálcico hidratado respectivamente. La medida de

los saltos observados en el termograma permite determinarla variación en la masa de

la muestra. Dichas variaciones de masa son características de las reacciones químicas

que se producen en la experiencia.

La curva DTG es la representación gráfica de la derivada de la curva TG, y

proporciona información sobre la velocidad de pérdida o ganancia de masa con la

temperatura o con el tiempo. Esta representación permite identificar con mayor

facilidad las alteraciones de masa, especialmente cuando las pérdidas son muy

pequeñas o bien cuando existen varios procesos con temperaturas de activación muy

cercanas. Adicionalmente, la curva DTG permite por medio de la integración, evaluar

saltos pequeños que resultan complejos de medir sobre la curva TG.

El equipo que se utilizó es un módulo TGA 850 Mettler- Toledo, que permitió

medir simultáneamente la curva termogravimétrica y la curva de análisis térmico

diferencial (DTA).El equipo que se muestra en la Fotografía No. 20, cuenta con una

electrobalanza horizontal, un horno y sensores de temperatura que están en

comunicación con un ordenador, donde se registran y se procesan los datos. La

29

microbalanza tiene una resolución de 0,1 g. En la mayoría de los casos se utilizaron

crisoles de aluminio de 100 µl con tapa sellable (ver Fotografías Nos. 18 y 19). La

tapa cuenta con un orificio, el cual facilita la obtención de una atmósfera auto

generada,por lo que la muestra permanece por un mayor tiempo en equilibrio con su

fase gaseosa, dando como resultado una mejor separación de los procesos de pérdida

de masa consecutivos, con el consecuente desplazamiento de picos hacia temperaturas

superiores.

Fotografía No. 18. Tipos de crisoles Fotografía No. 19. Equipo para sellar

utilizados en el análisis TG . crisoles en el análisis TG.

Fuente: Proyecto FODECYT 023-2010 Fuente: Proyecto FODECYT 023-2010

Este equipo se encuentra en los Laboratorios de Química de Materiales del

Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón –ICITECH-, de la Universidad

Politécnica de Valencia –UPV-. Los procedimientos, manejo de equipo e



respecto del equipo y los procedimientos se extrajo de los trabajos doctorales de Piles

(2006) y Soriano (2007).

Fotografía No. 20. Equipo para realizar análisis termogravimétrico

Fuente: Soriano, 2007

30

I.5.5.Equipo de medición de conductividad eléctrica y pH

Se utilizó la medida de conductividad eléctrica y pH para complementar los

estudios realizados por DRX y ATG, para lo cual, se utilizó el dispositivo mostrado en

la Fotografía No. 21,que consta de los siguientes elementos:

-Un reactor termostático de vidrio Pirex con doble pared, para la regulación de

la temperatura del sistema, el cual se mantiene cerrado mediante una tapa para evitar

la carbonatación. A los Erlenmeyer, que se encuentran en el reactor, se les puede

introducir los electrodos de medida de pH y conductividad eléctrica.

- PH-metro Crison micropH 2001 con salida RS232 dotado de un electrodo de

pH resistente a medios alcalinos.

-Conductímetro Crison MicroCM2201 con salida RS232 provisto de un

electrodo con una constante de celda de 1.07.

-Baño termostático Selecta Ultraterm para controlar la temperatura del sistema.

-Agitador magnético.

Este equipo se encuentra en los Laboratorios de Química de Materiales del

Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón –ICITECH-, de la Universidad

Politécnica de Valencia –UPV-. Los procedimientos, manejo de equipo e



respecto del equipo y los procedimientos se extrajo del trabajo doctoral de Piles

(2006).

Fotografía No. 21. Equipo de medición de conductividad eléctrica y ph


I.5.6. Equipo utilizado para la determinación de la reactividad mecánica

Todos los equipos utilizados para la determinación de la reactividad mecánica

que se describen a continuación, se encuentran en los Laboratorios de Agregados,

Concretos y Aglomerantes, en el Laboratorio de Productos Manufacturados y en la

31

Sección de Ecomateriales del Centro de Investigaciones de la Facultad de Ingeniería

de la Universidad de San Carlos de Guatemala –CII/USAC-.

I.5.6.1. Mezcladora

La mezcladora utilizada para la elaboración de los morteros es de la marca

OHAUS, tiene una capacidad de 4 litros, 3 velocidades de mezclado y satisface los

requerimientos de la norma ASTM C305-06 “Mechanical Mixing of Hydraulic

Cement Pastes and Mortars of Plastic Consistency”(ASTM, 2011). La mezcladora

consiste en un recipiente de acero inoxidable de una cantidad aproximada de 4 litros,

con forma y dimensiones como se muestra en la Fotografía No. 22; está equipada de

manera que pueda ser fijado firmemente al bastidor de la mezcladora durante el

amasado y que la altura del recipiente con relación a la pala y, por consiguiente, la

separación entre la pala y recipiente, pueda ser ajustada y mantenida con precisión.

La pala de acero inoxidable está accionada por un motor eléctrico de

velocidades controladas, con movimientos de rotación sobre su propio eje.

I.5.6.2. Balanza

Para la determinación de los pesos de los materiales y muestras de ensayo se

utilizó una balanza mecánica OHAUS como puede apreciarse en la Fotografía No. 23,

con una capacidad de 2,610 gramos y una aproximación de 0.1 gramo.

Fotografía No. 22. Mezcladora mecánica de accionamiento eléctrico


32

Fotografía No. 23. Balanza OHAUS utilizada para pesar materiales y muestras.


I.5.6.3. Mesa de Flujo

Para la determinación del grado de consistencia de los morteros se utilizó una

Mesa de Flujo marca SOILTEST,como puede observarse en la Fotografía No. 24,

equipada con una mesa de bronce colocada sobre una excéntrica que proporciona las

alturas de caída de la mesa. Este equipo satisface los requerimientos de la norma

ASTM C230-08 “Standard Specification for Flow Table for Use in Test of Hydraulic

Cement” (ASTM, 2011).

Fotografía No. 24. Mesa de Flujo para determinar consistencia de morteros.


I.5.6.4. Moldes para especímenes

Para la elaboración de especímenes para ensayos de compresión se utilizaron

moldes de bronce marca FORNEY, con capacidad para elaboración de 3 cubos de 5 x

5 x 5 cm, como puede observarse en la Fotografía No. 25. Los moldes satisfacen las

recomendaciones de ASTM C109-08 “Compressive Strength of Hydraulic Cement

Mortars”, inciso 5.3(ASTM, 2011).

33

Fotografía No. 25. Moldes para elaborar especímenes para evaluar la resistencia

a compresión en muestras cúbicas de morteros.


I.5.6.5. Cámaras de curado

Tres cámaras de curado fueron utilizadas: cámara de inmersión; cámara de

humedad y cámara de curado a vapor. Las tres cámaras de curado que se describen a

continuación se encuentran ubicadas en las instalaciones de la Sección de

Ecomateriales del Centro de Investigaciones de la Facultad de Ingeniería de la

Universidad de San Carlos de Guatemala y satisfacen los requerimientos de la norma

ASTM C511-09 “Standard Specification for Mixing Rooms, Moist Cabinets, Moist

Rooms, and Water Storage Tanks Used in the Testing of Hydraulic Cements and

Concretes”(ASTM, 2011).

I.5.6.5.1. Cámara de inmersión

La cámara de inmersión se diseñó y construyó en el transcurso de esta

investigación; consiste en un recipiente de vidrio de 34 x 36 x 90 centímetros, con

agua saturada con cal, suficiente para cubrir las muestras, puede apreciarse en la

Fotografía No. 26. La saturación tiene una relación de 3 gramos de cal por litro de

agua con el objeto de mantener un ambiente alcalino que evite la lixiviación de las

muestras. Adicionalmente la cámara cuenta con un motor pequeño inmerso para

garantizar que el agua esté en constante movimiento.

I.5.6.5.2. Cámara de humedad

La cámara de humedad también fue diseñada y construida en el transcurso de

esta investigación; consiste en un recipiente de vidrio con dos espacios separados por

una placa con agujeros. En la Fotografía No. 27 se observa en la parte superior la

cámara de humedad y en la parte inferior la cámara de inmersión. La cámara inferior

es utilizada para el almacenamiento de agua a la temperatura ambiente. La cámara

superior se utiliza para colocar las muestras para el proceso de curado; esta cámara se

conserva a una temperatura de 22°C y no menos de 95% de humedad relativa. La

cámara inferior está equipada con una bomba hidráulica que eleva el agua hacia un

cordón superior, del cual emerge humedad mediante el rocío que se genera en

34

pequeños agujeros abiertos en el trayecto del cordón. El agua en movimiento produce

las condiciones de humedad deseadas en el medio de curado.

Fotografía No. 26. Cámara de curado por inmersión de muestras de mortero.


I.5.6.5.3. Cámara de temperatura y humedad controlada (curado a vapor)

La cámara de temperatura y humedad controlada también fue diseñada y

construida en el transcurso de esta investigación. Consiste en un recipiente que recibe

la temperatura de una resistencia eléctrica; la temperatura se regula con unos

termostatos con indicadores electrónicos de la misma. Simultáneamente se produce

humedad en el interior mediante el almacenamiento de agua en la parte inferior.

Fotografía No. 27. Cámaras de humedad y de inmersión para curado de

muestras de morteros.


35

El rango de operación de temperatura es de 20-70°C. La humedad relativa que

se produce internamente oscila entre 90 y 98%. Sensores adicionales fueron utilizados

para asegurar los rangos de temperatura y humedad que establecen los procedimientos

estandarizados. Esta cámara se puede observar en la Fotografía No. 28.

Fotografía No. 28. Cámara de temperatura y humedad controlada para curar

muestras de morteros elaborados con materiales volcánicos.


I.5.6.6. Vernier electrónico

Este instrumento se utilizó para medir las dimensiones de las muestras

elaboradas en el laboratorio. La marca es Mitutoyo, tiene una capacidad de 200 mm y

una precisión de 0.02 mm. Este equipo se muestra en la Fotografía No. 29.

Fotografía No. 29. Vernier para medición de muestras de mortero.


36

I.5.6.7. Máquina Universal

Para obtener los valores de las cargas mecánicas soportadas por los cubos de

mortero elaborados previamente y poder calcular los valores de resistencia mecánica

se utilizó una máquina universal de ensayos como puede apreciarse en la Fotografía

No. 30. Esta máquina puede realizar pruebas para la determinación de los tres tipos

de esfuerzos básicos en ingeniería de materiales. Su funcionamiento está basado en

tres sistemas de ingeniería. El primer sistema es el de aplicación de fuerzas que en

este caso es hidráulico con accionamiento eléctrico. El segundo sistema es el de

medición de las fuerzas. El tercer sistema es el de indicación de las fuerzas.

En este caso se utilizó una máquina universal de 60,000 kilogramos de

capacidad y 0.5 kilogramos de aproximación que puede apreciarse en la Fotografía

No. 30. Las escalas de 3,000; 12,000 y 60,000 kilogramos fueron utilizadas. Esta

máquina cumple con los requerimientos de la normativa internacional.

Fotografía No. 30. Máquina Universal de ensayos mecánicos del Centro de

Investigaciones de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de

Guatemala


I.5.7. Equipo utilizado para la determinación de la reactividad química

I.5.7.1. Balanzas

Para la determinación de la reactividad química se utilizaron las siguientes

balanzas:

37

Balanza marca OHAUS de 0.1 mg de sensibilidad, la cual se puede observar en

la Fotografía No.31. Se encuentra en el Laboratorio de Físico Química del

Centro de Investigaciones de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de

San Carlos de Guatemala –LAFIQ-CII-USAC.

Balanza marca Startorius MA 45 de 0.1 mg de sensibilidad, se puede apreciar

en la Fotografía No. 32. Se encuentra en el Laboratorio del Centro

Tecnológico de Cementos Progreso.

Fotografía No. 31. Balanza electrónica OHAUS del LAFIQ/CII/USAC.


Fotografía No. 32. Balanza Startorius MA del CETEC.


I.5.7.2. Muflas

Las mismas muflas indicadas en el numeral I.4.9.2.2.,fueron utilizadas para las

determinaciones de reactividad química.

38

I.6. MATERIALES UTILIZADOS EN LA INVESTIGACIÓN

I.6.1. Materia prima (materiales volcánicos en estudio)

Los materiales volcánicos utilizados en la investigación se listan en la Tabla II,

indicando el número de la muestra, la nomenclatura asignada, su procedencia y la

descripción de la muestra.

Tabla II. Identificación de los materiales volcánicos investigados.

Muestra No. Nomenclatura Procedencia Descripción OBS.

01 1 ARIS Aristondos, El

Progreso

Cenizas

volcánicas de

color blanco

Fino

02 1M Marajuma, El

Progreso

Sedimentos de

Cenizas

volcánicas de

color blanco

Fino

03 1N Nahualate, Sololá Lapilli de

pómez de color

blanco

Fino +

grueso

04 1P Palencia,

Guatemala

Lapilli de

pómez de color

blanco

Fino +

grueso

05 1R El Rancho, El

Progreso

Cenizas

volcánicas de

color rosado

Fino

06 2T Tecpán,

Chimaltenango

Bombas,

Bloques, Lapilli

y Cenizas de

Pómez de color

beige

Fino +

grueso

07 LC Patzicía,

Chimaltenango

Lapilli de

pómez de color

blanquecino

Fino +

grueso

08 SFA San Francisco El

Alto, Totonicapán

Bloques, Lapilli

y Cenizas de

pómez de color

beige

Fino +

grueso

09 SX1 Salcajá,

Quetzaltenango

Cenizas de

pómez de color

beige

Fino

10 SX2 Salcajá,

Quetzaltenango

Bombas y

Lapilli de color

blanco

Fino +

grueso


39

I.6.2. Materiales de laboratorio utilizados en la investigación

I.6.2.1. Cemento

Para la elaboración de algunas pastas y morteros se utilizó cemento Pórtland

gris Tipo I que satisfizo los requerimientos de ASTM C150-09 “Standard

Specification for Portland Cement” (ASTM, 2011). marca CESSA 5000, procedente

de El Salvador.

I.6.2.2. Hidróxido de Calcio

El hidróxido de calcio utilizado en la preparación de algunas pastas y morteros

fue de la marca HORCALSA, cumplió con los requerimientos de la norma ASTM

C207-06 “Standard Specification for Hydrated Lime for Masonry Purposes” (ASTM,

2011).

I.6.2.3. Áridos

En la elaboración de morteros se utilizaron áridos de composición silícea,

suministrados por la empresa U.S. Silica Company, los cuales consisten en arena

graduada estándar procedente del Rio Ottawa y que cumplió con los requerimientos de

la norma ASTM C778-06 “Standard Specification for Standard Sand” (ASTM, 2011).

I.6.2.4. Agua

En la preparación de pastas y morteros fue utilizada agua desmineralizada de la

marca SCANDIA, procedente de la Ciudad de Guatemala.

I.6.2.5. Otros materiales

En los análisis y ensayos también se utilizaron, además, los materiales y

reactivos siguientes:

Ácido Clorhídrico (HCL)

Hidróxido de Sodio (NaOH)

Nitrato Amónico (NH4NO3)

Keroseno

Reactivos Espectroquant

40

PARTE II

II.1.MARCO TEÓRICO

II.1.1.Geología de Centro América

Centro América es una región cuya corteza terrestre es especialmente

inestable, ya que se encuentra en el borde occidental de la placa tectónica del Caribe.

La subducción de la corteza oceánica de este borde, que empezó en el Mioceno, hace

25 millones de años, elevó la tierra desde el mar. En una primera etapa se formó una

península y un archipiélago. Más tarde, hace 3 millones de años, las islas dispersas se

fundieron para formar un verdadero puente de tierra, o istmo, uniendo Norteamérica y

Sudamérica. Al mismo tiempo que la subducción y la elevación, se produjeron

erupciones volcánicas y frecuentes cataclismos.

La Placa Norteamericana, la Placa del Caribe y la Placa de Cocos son las

placas tectónicas en las que se encuentra Centro América.

En la revisión bibliográfica, al inicio de la ejecución de éste proyecto de

investigación se tuvo la suerte de encontrar una copia de la segunda edición

completamente revisada del libro Geology of Central America de Richard Weyl,

fechado en 1980. No se ha encontrado otro documento que describa tan

detalladamente la geología de Centro América y en particular la de Guatemala. Se

considera que la información contenida en ese libro es sumamente importante, por lo

que se decidió hacer una traducción libre de las partes más importantes en relación

con el tema de investigación.

La primera edición de este libro apareció en idioma alemán en 1961 y fue

posteriormente traducida al idioma inglés por Derek y Jordan en Ottawa, Canada. En

esa edición Weyl señala la contribución de varios colegas suyos, dentro de los que se

mencionan a Pichler;Schmidt-Effing; Stibane y Weisemann (El Salvador); S. Bonis,

O.H. Bohnenberger y G. Dengo (Guatemala);R. Castillo, C. Dondoli, G. Escalante, R

Fisher, C. Galli y M. Sandoval (Costa Rica); D. del Giudice y G. Recchi (Panamá), así

como López Ramos (México). También menciona el apoyo prestado por sus colegas

geólogos W.A. Van Den Bold; M.J. Carr; J.E. Case; R.C. Finch; S.E. Kesler, R. D.

Krushensky; J.W. Ladd; A.R. McBirney; W. I. Rose Jr.; R.E. Stoiber; H. Williams y

W.P. Woodring.

Según Weyl (1980), la exploración geológica de Centro América se realizó en

etapas. La primera fase de la investigación geológica se realizó en el siglo XIX y

llegó hasta los primeros años del siglo XX; a esa fase la llamó la edad de los

exploradores extranjeros. Menciona que Dollfuss & Mont-Serrat (1868) viajaron por

Guatemala y El Salvador en conexión con la política americana de Napoleón III y

41

realizaron un reporte comprensible acompañado con lo que Weyl indica es a su forma

de ver el primer mapa geológico coloreado de una amplia parte de Centro América.

Unos años antes K. Von Seebach (1864/65) había realizado un estudio detallado de los

volcanes de América Central, pero no fue publicado sino hasta su muerte en 1892,

según menciona Dengo (1973), sin menospreciar las descripciones hechas con

anterioridad por otros personajes, la obra de von Seebach es indudablemente la de

mayor valor en cuanto a estudios vulcanológicos y también fue una de las primeras

investigaciones de este tipo en el mundo.

En 1873/74, William Gabb, indica Weyl (1980), exploró regiones remotas de

Costa Rica y reconoció granitos locales de la edad posterior al Mioceno y otros

geólogos que estuvieron activos en este período y quienes merecen mención fueron

Moritz Wagner (1870); Robert T. Hill (1898) y sobre todo Karl Sapper, a quien

Schuchert (1935) ha llamado muy correctamente el Padre de la investigación

geológica de Centro América. En muchas jornadas a pie o en mula, Sapper atravesó

en particular la región nor-este, acompañado solamente por unos pocos nativos;

desarrolló una concepción de la estratigrafía y la estructura, principios básicos que

permanecen hasta la actualidad; además estudió muchos de los volcanes de la región,

grabando sus hallazgos en gran número de manuscritos y mapas (1890-1937). Su

pupilo y sucesor Franz Termer, escribió una biografía de Sapper que fue publicada por

primera vez en español (1956) y más tarde en alemán (1966); conteniendo una

bibliografía de sus trabajos.

Dengo (1987) en su obra Historia del Desarrollo del Conocimiento Geológico

de América Central también menciona que la figura que más destaca en la

investigación de la geología centroamericana es indudablemente la de Karl Sapper

quien llegó a Guatemala en 1888, por residir aquí su hermano don Ricardo Sapper.

Según Dengo, las investigaciones de Sapper fueron sumamente extensas, no solo en el

sentido geográfico sino también, porque, además de geología, contribuyó a otras

ramas científicas y al levantamiento de sus propios mapas topográficos. En geología,

uno de sus mayores intereses fue el estudio de los volcanes, llegando años después a

ser una autoridad mundial en ese campo.

Según Dengo (1987), la obra Daz Antlitz der Erde (La Faz de la Tierra), escrita

por el profesor de la Universidad de Viena, Edward Suess, fue la primera en que se

compiló el conocimiento de la geología del mundo y, por ende, en ella aparece lo poco

que se sabía sobre América Central. Suess propone que el Mar Caribe fue parte del

Océano Pacífico que fueron separados por el levantamiento de América Central sobre

el nivel del mar. En otro sentido, dentro de la actual teoría de Tectónica de Placas,

este es un tópico en discusión.

Weyl (1980) citando a Loschner (1978), indica que una característica de este

primer período de exploración geológica es la universalidad de la investigación

realizada por exploradores individuales, quienes en adición a los datos geológicos,

hicieron importantes contribuciones al conocimiento de la geografía física, la flora y

la fauna y aún a la etnografía de los países que ellos visitaron. Como si no fuera

suficiente, sus mapas y pinturas del paisaje tienen una apariencia estética

extremadamente alta.

42

La exploración de la parte sur-este de América Central según Weyl (1980), se

dio por el gran ímpetu de la planeación y construcción del Canal de Panamá, un

proyecto que está basado en los trabajos de C. W. Hayes (1899); Brown & Pilsbry

(1911 a 1913); D. F. McDonald (1913 a 1919); T.W. Vaughan (1918 a 1932) y en

particular W. P. Woodring. Estos autores proporcionaron el conocimiento para

entender la estratigrafía del Terciario. Las investigaciones sobre petróleo iniciaron una

fase adicional en la exploración de los países de Centro América, cuyos resultados en

algunos reportes publicados por A. H. Redfield (1923). Sin embargo, con la

excepción de un trabajo preparado por R. A. Terry (1956), sobre la geología de

Panamá y algunas notas ocasionales, los resultados de la investigación realizada

permanecieron sin publicación.

Por otro lado, indica Weyl (1980), la investigación de metales importantes, una

cuestión estratégica durante la Segunda Guerra Mundial, permitió tener una mejor

comprensión de los depósitos de Centro América, lo cual fue reportado por Orberts &

Irving (1957), quienes reportaron al mismo tiempo una revisión de la geología de

Centro América. El reporte fue acompañado de un mapa general inicial en la escala

1:1,000,000, el cual, sin embargo, estuvo basado fundamentalmente en los mapas

dibujados por Sapper y Terry.

Las décadas que siguieron a la Segunda Guerra Mundial hasta 1980 estuvieron

marcadas por una gran variedad de iniciativas, algunas originadas por fuentes externas

y algunas por investigadores de América Central. Ese período fue notable para el

desarrollo de instituciones geológicas independientes en los países de Centro América.

Durante ese período se realizaron muchas publicaciones, incrementándose

notablemente las publicaciones en español.

En Guatemala se estableció la sede del Instituto Centroamericano de

Investigación y Tecnología Industrial (ICAITI); en 1969 el Departamento Geológico

de esa institución publicó el mapa metalogenético de Centro América es escala

1:2,000,000, que contiene un nuevo recuento de las reservas de materiales metálicos.

El mapa es al mismo tiempo un mapa geológico general. ICAITI también publicó

artículos que fueron presentados en los Congresos de Geología de Centro América.

Actualmente esa institución ya desapareció y con ella mucha información que se había

logrado.

Muchas investigaciones fueron apoyadas por Naciones Unidas y la República

Federal de Alemania que envió Misiones Geológicas de Bundesanstalf fur

Bodenforschung, a trabajar en Guatemala (1967-1970) y en El Salvador (1967-1971).

Afortunadamente los trabajos de exploración del petróleo, ayudaron

considerablemente a conocer la estratigrafía, paleogeografía y estructura de las

regiones desconocidas, particularmente el lado Caribeño de Centro América. La

cooperación con universidades de Estados Unidos condujo a realizar muchos trabajos

como tesis de maestrías y doctorados, que ayudaron a dibujar los mapas geológicos,

principalmente de Guatemala y Honduras.

Toda esta actividad evidenció la necesidad de formación de recurso humano

que desembocó en la creación de la Escuela Centroamericana de Geología, establecida

43

en la Universidad de Costa Rica, la cual fue abierta en 1970. La UNESCO y varios

países contribuyeron para mantener un equipo de profesores en los primeros años.

Muchos investigadores siguieron posteriormente, pero es importante

mencionar a Howel Williams y Alexander McBirney quienes estudiaron el

vulcanismo Terciario y Cuaternario de América Central, desde Sapper hasta las

técnicas modernas que existían en ese tiempo. Sus estudios proporcionaron una

revisión integrada de historia volcánica y su rol en la estructura de América Central.

En los últimos años, una serie de violentas erupciones volcánicas y severos

terremotos han proporcionada material de investigación adicional. Todo este material

está muy asociado a la teoría de Tectónica de Placas.

Según Weyl (1980), en la investigación realizada, Centro América se define

como el área desde el este y sur de Guatemala hasta las Tierras Bajas de Atrato en

Colombia. En esa área están las repúblicas de Guatemala, Honduras, El Salvador,

Nicaragua, Costa Rica, Panamá y Belice. Dicha área se ubica entre las longitudes 77

y 92 Oeste y las latitudes 7 y 19 Norte. Su eje longitudinal, el cual corre del Nor-

oeste al Sur-este, es de 1,800 kilómetros de longitud y su área es de 538,000

kilómetros cuadrados. Centro América puede ser dividida en dos grandes unidades

que difieren completamente una de la otra en historia geológica y estructura. Estas

unidades fueron reconocidas por Sapper, Schuchert y Stille, y los trabajos de Dengo

realizados entre 1968 y 1973, han confirmado su existencia. La parte noreste que

contiene a Guatemala, Honduras, El Salvador y la parte noreste de Nicaragua exhiben

un tipo continental del Paleozoico o rocas metamórficas aún más viejas. En el

Terciario, la parte noreste de Centro América fue el escenario de un vulcanismo

continental extremadamente violento, durante el cual grandes masas de ignimbrita

fueron extruidas. La parte sureste, desde el sureste de Nicaragua a Panamá, por otra

parte, está formado por rocas del tipo oceánico Cretásico, sobre cuyo espesor se

depositaron sedimentos marinos y volcánicos durante el Terciario.

Centro América es una región activa tectónicamente. Su estructura interna y

su morfología fueron las bases de su clasificación espacial. Según Weyl (1980), de

acuerdo con Mills et.al. (1967); Dengo (1973) y Dengo & Bohnenberger (1969), las

siguientes unidades morfotectónicas se distinguen en América Central:

1. Regiones Montañosas

Las sierras del noreste de Centro América

Las regiones y plataformas del Volcánico Terciario

Las sierras del sureste de Centro América

La cadena volcánica del Pacífico

2. Tierras bajas y regiones de bajas colinas

Las sierras bajas de Petén y la Península de Yucatán

La región costera del Golfo

La región costera del Caribe

La región costera del Pacífico

La depresión de Nicaragua

44

Weyl (1980) describe cada una de estas unidades morfotectónicas; especial

atención para el tema de esta investigación merece la Cadena Volcánica del Pacífico,

formada de volcanes cuaternarios, algunos de los cuales todavía están activos. Se

extiende desde la frontera mexicana hasta Costa Rica y continúa de manera más

dispersa hasta Panamá. Como un típico elemento estructural circun-pacífico, está

espacialmente muy cercana a la zona de actividad sísmica y presenta una característica

decisiva de subducción activa.

La estructura geológica y topográfica de la frontera del Pacífico de América

Central está formada por una larga extensión de volcanes jóvenes y en muchos casos

todavía de acción muy violenta. La cadena de volcanes alcanza los 1,100 kilómetros

casi sin interrupción desde la frontera entre México y Guatemala hasta el volcán

Turrialba en Costa Rica y de allí en adelante en intervalos de hasta 300 kilómetros

hasta Panamá. Weyl (1980) menciona que de acuerdo con Sapper (1913), 101

volcanes de primer orden pertenecen a la cadena de volcanes de Centro América. El

número se incrementa cuando se consideran los volcanes más pequeños o extintos.

Una lista preparada por Bohnenberger (1969) indica que el número de los

volcanes de varios tamaños y edades en los países de Centro América, son los

siguientes:

Guatemala 288

El Salvador 180

Honduras 18

Nicaragua 58

Costa Rica 30

Panamá 8

Resulta evidente la gran cantidad de volcanes de Centro América que se ubican

en la franja volcánica de Guatemala y El Salvador.

La investigación sistemática sobre los volcanes de Centro América inició

alrededor de la mitad del siglo 19; el principal interés estuvo enfocado en su posición,

estructura y el tipo de actividad, así como la historia registrada de su actividad.

Las características de los segmentos volcánicos individuales en Centro

América mencionados por Weyl (1980), se describen a continuación:

1. Tipos de erupciones volcánicas. El segmento en la parte central de Guatemala

es particularmente activo, mientras que los segmentos en las vecindades solo

presentan actividad sulfúrica. Algunos volcanes de Guatemala, El Salvador y

Nicaragua han combinado erupciones explosivas con la producción de flujos

de lavas, mientras que los volcanes de Costa Rica, con la excepción del

Arenal, no han producido ninguna lava en la historia pero han eructado vapor y

ceniza de las profundidades de los cráteres principales.

2. Forma y estructura de los centros volcánicos. Estos son muy similares pero

difieren de los segmentos de las vecindades. Esto está claramente expresado,

entre otras cosas, por la altura de los edificios volcánicos y por la altura de los

volcanes sobre el nivel del mar. Muchos de los volcanes grandes de Guatemala

están posicionados sobre fisuras transversales, mientras que los de la parte

45

noreste de Guatemala y El Salvador están dispuestos de manera anular. Los

volcanes de Nicaragua y de la cordillera de Guanacaste en Costa Rica forman

cadenas de volcanes individuales, mientras que los de la cordillera central en

Costa Rica están unidos en una plataforma montañosa coherente.

3. Los volúmenes de los centros volcánicos recientes y la relación de volumen a

longitud del segmento difieren sustancialmente.

4. La química de los productos volcánicos revelan diferencias de segmento a

segmento y están directamente en conexión con la discusión de su petrología.

5. Grandes edificios de complejos volcánicos (Santa María, Pacaya) se han

construido en las fronteras del segmento como un resultado de fácil ascenso

del magma.

II.1.2.Geología de Guatemala

II.1.2.1. División estructural y fisiográfica

Según Bonis (1967),Guatemala puede ser dividida estructural y

fisiográficamente en cuatro diferentes provincias (ver Figura 5), siendo ellas de sur a

norte:

1. La Superficie Costera del Pacífico

2. El Cinturón Volcánico

3. La Cordillera Central

4. Las Tierras Bajas de Petén

La Planicie Costera es de hasta 50 kilómetros de ancho, aumenta desde la

costa hasta el pie de los volcanes; su límite superior está claramente marcado por una

línea formada por la altura de 500 metros sobre el nivel del mar. A lo largo de la

franja, la planicie costera es cortada por deltas, barras de arena y esteros. Los

materiales sedimentarios provienen exclusivamente del Cinturón Volcánico y consiste

de gravas de andesitas, basaltos, dacitas, etc. Y minerales tales como plagioclasa,

silicatos basálticos y magnetita.La Planicie Costera bordea el Cinturón Volcánico

hacia el sur, es parte del aluvión de la planicie costera y se extiende sobre una longitud

de aproximadamente 700 kilómetros desde el Istmo de Tehuatepec hasta Acajutla en

El Salvador.

El Cinturón Volcánico con la cadena de volcanes Cuaternarios y activos se

localizan en la orilla sureste tendiendo del oeste sur oeste hacia el este sur este. En el

oeste termina en la frontera mexicana. En el este se extiende en la misma dirección

hacia El Salvador. Algunos de los conos y domos guatemaltecos están activos como

los volcanes de Santiaguito, Fuego y Pacaya. El Cinturón Volcánico está formado por

volcanes Cuaternarios de hasta 4,000 metros de altura, se elevan desde la Planicie

Costera. Sobre los edificios volcánicos y hacia el norte de los mismos se extiende el

área de vulcanismo Terciario conteniendo grabens rellenados con pómez.

Con sus torres volcánicas y las grandes depresiones vulcano-tectónicas

convertidas en lagos, el Cinturón Volcánico de Guatemala forma uno de los paisajes

de mayor impresión volcánica sobre la tierra, como expresara en 1722 Fray Francisco

Ximénez, de la Orden de Predicadores al referirse a los Montes y Volcanes en su

Historia Natural del Reino de Guatemala “Es cosa de alabar a la Divina Opnipotencia

ver cómo se van elevando los montes, en eminentísimas sierras y haciendo

46

profundísimos barrancos, y amenos valles, y vegas. Continuándose siempre aquestas

serranías y ligándose unas con otras, con prolongados collados que les son como

ligaduras, desollándose sobre ellos las cimas elevadas de los altísimos montes. Y

aunque por algunas partes parece que se cortan aquestas serranías, es solo por las

partes que ya corren los ríos caudalosos, pero subiendo para las cabeceras de los ríos,

se ve como se continúan entre sí, unas serranías con otras” (Ximénez, 1967).

La Cordillera Central es el núcleo de la cadena montañosa en la parte noreste

de Centro América. Consiste de una serie de montañas individuales que son separadas

unas de otras por valles o grabens en las zonas de falla. El eje del país está formado

por la Cordillera Central, la cual está construida principalmente de muchas montañas

individuales que describen un arco abierto desde el norte del Golfo de Honduras hasta

la provincia mexicana de Chiapas.

Figura 5. División estructural y fisiográfica de Guatemala

Las Tierras Bajas de Petén que están localizadas en el norte, poseen una

estructura que corre paralela a la Cordillera Central. Representan un área de bosque

tropical húmedo con elevaciones promedio de 100 metros, formadas por sedimentos

47

Mesozoicos y Terciarios levemente plegados. Sobre calizas y dolomitas Cretácicas se

desarrolló un relieve karst extenso, dando lugar a terrenos muy accidentados.

Largas zonas de falla corren paralelas a la cadena de la Cordillera Central, que

contienen la falla de Cuilco-Chixoy-Polochic, las fallas de Motagua y San Agustín y

la falla de Chamelecón. Estas fallas poseen importancia supra regional como la

frontera de zona entre las Placas Tectónicas de Norte América y El Caribe.

II.1.2.2. Placas tectónicas en Guatemala

Existe una gran interacción a lo largo de la fosa Mesoamericana, entre la Placa

de Cocos y la del Caribe. La placa de Cocos está subduciendo bajo la del Caribe (ver

Figura 6). También existe interacción entre las placas del Caribe y la placa del Norte,

esta interacción ocurre a lo largo de las fallas Polochic, San Agustín y Motagua. Los

desplazamientos relativos de las placas dan como resultado la actividad volcánica y

los movimientos telúricos.

Por esfuerzos de tensión en la corteza y como consecuencia principalmente por

los desplazamientos relativos de las placas tectónicas, se han formado fallas de menor

dimensión. Mencionando algunas de ellas: Fallas de Mixco y Santa Catarina Pínula,

Fallas de Zunil, Jalpatagua, Olintepeque, ver Figura 7.

Debido al fallamiento del país, se obtiene como resultado la formación de

estructuras especiales tales como Graben y Horst a lo largo del Cinturón Volcánico.

Un claro ejemplo de estas estructuras, es la formación de calderas por el colapso de

grandes edificios volcánicos, posteriormente algunos de ellos se convierten en lagos

tales como Atitlán y Ayarza, cabe mencionar que en Guatemala existe una orientación

casi perfecta de los edificios volcánicos.

Figura 6. Placas tectónicas presentes en Guatemala

Fuente: Instituto Nacional de Sismología, Vulcanología, Meteorología e Hidrología

(INSIVUMEH, 2010)

48

Figura 7. Mapa de fallas tectónicas de Guatemala

Fuente: Centro de Estudios Superiores de Energía y Minas (CESEM),

(Apuntes de Geología, 2005)

II.1.2.3. Volcanes de Guatemala

En el Cinturón Volcánico, de acuerdo con los diferentes investigadores, los

volcanes de mayor importancia en Guatemala son:

En la parte centro-oeste

Tacaná 4,092 m

Tajumulco 4,220 m

Siete Orejas 3,370 m

Santa María 3,772 m (Activo)

Santiaguito 2,520 m (Activo)

Cerro Quemado 3,370 m

Lago de Atitlán 1,500 m

San Pedro 3,020 m

Atitlán 3,537 m

Tolimán 3,158 m

Fuego 3,763 m (Activo)

Acatenango 3,976 m

Agua 3,766 m

Pacaya 2,552 m (Activo)

En la parte centro-este

Tecuamburro 1,840 m

49

Laguna de Ayarza 1,409 m

Moyuta 1,662 m

Jumay 2,176 m

Las Flores 1,600 m

Laguna de Retana 1,040 m

Suchitán 2,042 m

Chingo 1,775 m

Ixtepeque 1,292 m

Laguna Obrajuela 878 m

Cerro Tempisque 1,050 m

Ipala 1,650 m

De acuerdo con lo indicado por Weyl (1980), la cadena volcánica de

Guatemala, con sus montañas de más de 3,000 metros de altura y la presencia de los

lagos de Amatitlán y Atitlán, forman paisajes de extraordinaria belleza.

Adicionalmente la cadena incluye tres zonas de las más activas de América Central:

Complejo Santa María/Santiaguito, Complejo Fuego/Acatenango y Complejo Pacaya.

Según Meyer-Abich (1956), el término volcán activo comprende:

1. Volcanes que en tiempo histórico (desde la conquista) han tenido

erupciones;

2. Volcanes de los cuales no se conocen erupciones pero que manifiestan

actividad fumarólica o solfatárica y

3. Campos fumarólicos o salfatáricos independientes de los volcanes pero

genéticamente con ellos relacionados.

Así, los volcanes que han manifestado alguna actividad son los que a

continuación se mencionan (Meyer-Abich, 1956):

El Volcán Tacaná, que anteriormente se conoció con el nombre de

“Soconusco”, según Sapper (1897) en enero de 1855 se abrieron grietas en las faldas,

de las cuales emanaron vapores blancos por breve tiempo. Una actividad similar, pero

dudosa, fue reportada en el año 1878.

El Volcán Tajumulco, según Juarros (1808) estaba en actividad solfatárica

cuando los españoles llegaron a Guatemala a principios del siglo XVI, supuestas

erupciones fueron reportadas en 1865 y 1863, aunque tienen un carácter dudoso.

Algunos estudios han indicado que el Volcán Santa María llamado G'agxanul

por los k'iche'sse edificó por un período de 30,000 años. En 1902 se produjo una

catastrófica erupción de este volcán, con un lanzamiento estimado de 5.5 kilómetros

cúbicos de material piroclástico dacítico.

Desde 1922 el Volcán Santiaguito también llamado anteriormente “Hijo del

Volcán”y “Niño de Jesús”, inició su crecimiento en las faldas del Volcán Santa

María y desde entonces se mantiene en erupción y crecimiento constante hasta la

fecha. Los materiales que este volcán ha lanzado anualmente causan el asolvamiento

de los ríos aguas abajo, en las zonas cercanas a Retalhuelu, hasta el Oceáno Pacífico.

Existe un sorprendente registro de la actividad de este volcán. Un análisis del material

50

caído en San Felipe en 1902 indica una pómez con composición Óxido de Sílice

66.41%; Óxido de Aluminio 19.74%; Óxido de Hierro 1.31%; Óxido de Calcio

3.20%; Óxido de Sodio 4.41% y Óxido de Potasio 2.99%.

El volcán Cerro Quemado, a cuyos alrededores existen muchas fuentes

termales ha registrado actividad en 1785 según Dollfuss & Mont-serrat; en 1823 según

Schneider en 1911. Además se han registrado desprendimientos contínuos de humo y

columnas densas y contínuas en la cima del volcán y en por lo menos 50 fumarolas de

la falda occidental, según fue reportado por Dollfuss & Mont-serrat. Al respecto de

este volcán, Francis Gall (1966), quien fuera miembro de la Sociedad de Geografía e

Historia de Guatemala, escribió el libro “Cerro Quemado”, una obra que dicha

Sociedad decidió publicar con motivo de la conmemoración del I centenario del

nacimiento de Karl Sapper, a quien Gall dedicó la obra como Maestro de Maestros.

El volcán Atitlán, anteriormente denominado “Suchiltepéquez” o

“Zapotitlán” reporta muchas confusiones de actividad, incluso Sapper, según indica

Meyer-Abich (1956) creyó que el lago de Atitlán, así como también el lago de

Amatitlán se formaron cuando los volcanes en el lado sur se formaron, constituyendo

presas que imposibilitaban la salida de las aguas, ahora se conoce que esa opinión era

totalmente falsa, pues ellos se formaron como depresiones tectónicas bordeadas de

fallas y que su hundimiento debe haberse efectuado antes de que nacieran los

volcanes. El Volcán Atitlán es el único de los tres volcanes que bordean el lago que,

en tiempo histórico (desde la conquista), estuvo activo repetidas veces, aunque el

volcán Tolimán tuvo alguna actividad fumarólica. Las fechas probables de actividad

de este volcán están entre 1826 y 1853, aunque algunas fumarolas se reportaron en

1907, 1934 y 1948.

El volcán de Acatenango tiene dos picos y es el hermano gemelo del volcán de

Fuego. El pico sur que es la cima principal se llama también “Pico Mayor” o “Pico

Central” y el pico norte lleva también los nombres de “Yepocapa”; “Tres

Hermanas” o “Tres Marías”. Hasta 1924 no se conocía ninguna actividad histórica

de este volcán, obviando la actividad fumarólica. De 1924 a 1945 se produjeron

algunas erupciones, a partir de ese año solamente se han reportado actividades

fumarólicas en el Pico Mayor.

El Volcán de Fuego (ver Fotografía No. 33), llamado Chi’gag por los

cakchiqueles, es el volcán más activo de Guatemala, ha permanecido en actividad

desde la conquista (1524), en ese tiempo ya se mencionaba que lanzaba llamas

ardientes y rocas incandescentes. La erupción reciente más violenta parece que fue la

de septiembre de 1971, con la cual se formaron capas de arena de hasta 30 centímetros

en los alrededores. Erupciones de considerable magnitud se han llevado a cabo en las

últimas décadas. Sin ir tan lejos, la última de ellas ocurrió en septiembre de 2012.

Estas erupciones generalmente han causado graves pérdidas materiales a los

pobladores que se asientan en los alrededores.

El volcán de Agua (ver Fotografía No. 34), también llamado anteriormente

“Hunapú” por los cackchiqueles, no reporta actividad volcánica en tiempo histórico,

en sentido estricto este volcán no pertenece a los volcanes activos, pero llama mucho

la atención por ser un cono simétrico de singular belleza, cubierto hasta la cúspide por

vegetación. Además mucha discusión se generó respecto del origen de las corrientes

51

de lodo (lahars) que en septiembre de 1541 bajaron por las faldas y destruyeron la

entonces capital del Reino de Guatemala, ciudad conocida ahora como Ciudad Vieja.

Fotografía No. 33. Vista panorámica del Volcán de Fuego (Chi’gag).

Fuente: Proyecto FODECYT 023.2010

El Pacaya es un complejo de edificios volcánicos severamente fallados que se

ubica al sur de la Ciudad de Guatemala. En su estructura se encuentran domos

andesíticos y riolíticos, volcanes estrato andesíticos, conos basálticos y gruesas capas

de pómez dacítica. Existen reportes de erupciones de este volcán desde tiempos de la

conquista. En 1962 se formó un nuevo cráter de tipo Stromboniano, al principio muy

violento y más tarde moderado continuando de esta misma forma hasta la actualidad,

con ligeras alteraciones eventuales. Este volcán está generalmente en actividad

eruptiva moderada.

Fotografía No. 34. Vista panorámica del Volcán de Agua (Hunapu).

Fuente: Proyecto FODECYT 023.2010

52

El fondo del Lago de Amatitlán, que se ubica al norte del Pacaya debe ser

interpretado como una depresión volcano-tectónica y está probablemente relacionada

con la estructura del complejo Pacaya. Al igual que el Volcán de Fuego, el Volcán de

Pacaya ha causado graves destrozos materiales y víctimas humanas en sus alrededores

en los últimos años; es un volcán que permanece activo.

La actividad volcánica en la parte sur-este de Guatemala es escasa, se

identifica a esta zona como de ruina volcánica desconocida y fuertemente destruida.

La ruina volcánica se considera desde tiempos largos apagada, sin embargo, se

encuentran en las pendientes de los volcanes algunas exhalaciones volcánicas

llamadas campos solfatáricos; mofetas y fumarolas.

De toda esta actividad volcánica, gruesos espesores de pómez dacítica y

riodacítica, fueron depositadas algunas veces como tefras y otras como avalanchas y

en algunos casos redistribuidas por la acción fluvial y del viento. Esos depósitos son

característicos de las tierras volcánicas de Guatemala. Dataciones con Carbono 14

realizadas por Williams (1960) en carbón encontrado embebido en los depósitos de

materiales volcánicos han proporcionado edades de por lo menos 16,000 años,

mientras que Bonis et. al. (1969) mencionan edades de entre 31,000 a 35,000 años.

Estudios detallados realizados en estos materiales por Koch & Mclean (1975)

distinguieron entre 26 capas de tefras del Pliosceno, 4 flujos de cenizas y 4 capas de

sedimentos lacustres. Se encontró que las probables fuentes de origen de las tefras

fueron los volcanes de Pacaya, Agua, Acatenango/Fuego, y las regiones de los Lagos

de Atitlán y Laguna de Ayarza.

Los espesores encontrados fluctúan entre más de 30 metros en las tierras altas

hasta más de 100 metros en las vecindades de los volcanes. La toba incandescente

más grande se extiende por lo menos en una zona de 16,000 kilómetros cuadrados.

Depósitos muy extensos de estos materiales se encuentran en los alrededores de los

volcanes y en otras zonas alejadas donde fueron depositadas por la acción del viento o

de los ríos, como es el caso de los depósitos encontrados en Baja y Alta Verapaz, así

como en la ribera del Rio Motagua en las cercanías de El Rancho.

En cambio, el vulcanismo cuaternario de la parte sureste de Guatemala difiere

notablemente del de las partes altas (altiplano), de acuerdo por lo indicado por

Williams, McBirney & Dengo (1964), así como por Carr (1974), los volcanes activos

están en reposo. Los grandes volcanes extinguidos consisten principalmente de

fenobasaltos, pequeños conos de escoria basáltica, pero la pómez es muy rara en esas

zonas. En esos lugares se encuentran flujos y domos de obsidiana riolítica, lo cual no

se encuentra en las tierras altas de Guatemala.

La explicación de cómo se formaron las grandes cubiertas de pómez en

Guatemala es bastante compleja y una probable explicación es la que da Rose et. al.

(1977), asociando los materiales del magma con presiones de agua que se producen a

grandes profundidades. Más importante que esa explicación en este trabajo, lo

constituye el hecho que grandes áreas del territorio guatemalteco están cubiertas por

ese material, variando los espesores dependiendo de su localización.

53

II.1.3.Los materiales piroclásticos como fuente de aglomerantes

Los materiales que son producto de emanaciones del magma por medio de los

volcanes, debido a la incandescencia con que salieron a la superficie y a los gases

atrapados, así como al tipo de enfriamiento que sufrieron, dieron lugar a las pómez,

materiales catalogados como piroclastos que son fuente de compuestos sílico

aluminosos y ferrosos con probabilidades de utilizarse como aglomerantes cuando

tienen altas finezas y se combinan con hidróxido de calcio en presencia de humedad.

A esos materiales suelen llamarse puzolanas naturales de origen mineralógico.

La definición oficial de una puzolana puede encontrarse en la especificación

ASTM C618-08a: “puzolanas son materiales silicios o silico-aluminosos los cuales

por si mismos contienen poco o ningún valor cementante, pero finamente divididas y

en la presencia de humedad, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a la

temperatura ambiente para formar compuestos que poseen propiedades cementantes”

(ASTM, 2011).

De acuerdo a la normas ASTM, las puzolanas naturales pueden ser usadas

como una adición en cemento Portland, si ellas demuestran los requerimientos físicos

y químicos establecidos. Según Day (1992) y Quiñónez (2010), muchos de esos

requerimientos presentan restricciones inapropiadas para algunos tipos de puzolanas

que han mostrado tener adecuado comportamiento para construcción de bajo costo. En

particular, es bien conocido que las puzolanas que demuestran un índice de actividad

puzolánica (PAI) con cal, menor de 5.5 MPa, pueden ser usadas para producir

materiales de construcción con aceptable resistencia y durabilidad.

La reacción más importante de las puzolanas silíceas es entre la sílice reactiva,

la cal y al agua, la cual produce hidrato silicato cálcico (Dopico et al. 2008). El

hidrato silicato cálcico (CSH) es similar al formado durante la hidratación del cemento

Portland, es un material pobremente cristalino cuya composición parece variar con el

tiempo después que inicia la hidratación. Martirena (2005) menciona que así como el

CSH, otros productos importantes de hidratación pueden incluir hidrato

carboaluminato, así como otros hidratos aluminatos cálcicos como hidrogranates.

Day (1992) y Quiñónez (2010), indican que muchos materiales volcánicos

deben su reactividad no solamente a la presencia de vidrio (formado durante el rápido

enfriamiento) sino también a la presencia de compuestos zeolíticos alterados. Tales

zeolitas tienen la forma de alkalis hidratados alumino-silicatos. Esta alteración se

debe a la acción del vapor y al dióxido de carbono debajo de la corteza de la tierra.

Martirena (2005), dice que los hidratos silicatos cálcicos han sido

referenciados como fases de “tobermorita-relativa” porque son similares al mineral

“tobermorita” encontrado en la naturaleza; sin embargo, más allá de las descripciones

verbales de productos de reacción, debe recordarse que estos productos son muy

inestables y su naturaleza depende grandemente de la composición de la puzolana que

está reaccionando.

El componente vidrio de la puzolana es responsable primariamente del

mejoramiento potencial y de las propiedades a largo plazo de materiales de

construcción. Hay dos tipos de vidrio que pueden existir en las puzolanas (Day,1992):

54

1. un vidrio silicato modificado por aluminio y hierro (la mayoría de las

puzolanas contienen este tipo de vidrio);

2. calcio, magnesio o aluminio que sustituyen al vidrio silíceo que es más

activo. Esta segunda estructura de la fase vidriosa (encontrada en

escorias y cenizas volantes de alto calcio) es relacionado al mineral

“melilita”, mientras que el primer tipo de vidrio se relaciona con la

alfa-cristobalita.

El grado de desordenamiento de un vidrio puede ser determinado por

observación de trazas de difracción de rayos X. Hay un cambio distinto en la posición

de las señales difusas que ocurren en las trazas de rayos X, como una función del

contenido analítico de CaO de la puzolana. El desplazamiento en la posición de la

cima es debido al incremento del contenido de modificadores de catión en el mismo

vidrio alumino-silicato (Hemmings, 1988).

Se dice que la mayoría de puzolanas, tanto artificiales como naturales, no

inician su contribución a mejorar las propiedades ingenieriles sino hasta el rango de 7

a 14 días después de la hechura. Por otro lado, experimentación muy cuidadosa

muestra que algunas puzolanas inician la reacción química muy cercanamente después

del contacto con el agua.

En cualquier caso, aunque la reacción inicial empiece rápidamente, el grado de

hidratación de varias puzolanas japonesas experimentadas a 180 días varía

ampliamente de solo 15% hasta 45%. Parecería que una mayor proporción de la

puzolana no toma parte en la reacción química, de manera que se está pensando que

algunos efectos benéficos de la puzolana puede ser su acción como un llenador (filler)

de vacios que como un productor de CSH.

Los aluminatos cálcicos pueden jugar un rol importante en el proceso de

reacción y, si el yeso está presente en el sistema, productos cementantes en la forma

de hidrato aluminato cálcico, hidrato gelenita, etringita e hidrato monosulfoaluminato

cálcico se formará. Los hidratos carboaluminatos cálcicos han sido también

detectados en la reacción. Los aluminatos cálcicos pueden ser aportados por el

cemento Portland, si se usa, o por la puzolana misma. En algunas puzolanas, tales

como los desechos de bauxita, los aluminatos juegan el mayor rol en la reactividad.

Hay mucha inconsistencia en los resultados de las investigaciones para

predecir el comportamiento ingenieril basado en las propiedades fundamentales de la

puzolana y aspectos fundamentales del mecanismo de hidratación, de manera que es

importante entender el proceso de hidratación como ayuda fundamental para el

desarrollo de activadores que aceleren la reacción puzolánica.

La importancia de los minerales que están presentas en pequeñas proporciones

no está claramente determinado. Sin embargo, cualquier material silíceo, si es

suficientemente fino, reaccionará con la cal; las otras impurezas, especialmente los

aluminatos y alkalis pueden jugar un rol crítico en la determinación del rango y

extensión de la reacción. La naturaleza de los gases liberados durante la solidificación

de las puzolanas en el momento de la erupción volcánica puede jugar un rol

55

determinante en la cantidad y naturaleza de esas impurezas, y en la reactividad del

material (Day,1992; Quiñónez 2010).

Ha habido muchos tipos de ensayos propuestos para determinar la reactividad

monitoreando el proceso de reacción de puzolana-cal (puzocal) o pastas de Portland-

puzolana en el tiempo. Ya que la reacción puzolánica remueve la cal libre de estos

sistemas, la forma más fácil para encontrar el proceso de reacción es monitorear la

cantidad de hidróxido de calcio libre (CH). En los sistemas Portland-puzolana la

interpretación de los resultados de los ensayos es más compleja porque el cemento

Portland contribuye a la generación de CH durante la reacción mientras que la

puzolana lo remueve (Day 1992; Quiñónez, 2010).

En el sistema puzolana-cal-agua, la formación de una micro-estructura

generadora de resistencia puede ser considerada, la cual es la misma que en el sistema

cemento Portland-agua, a pesar que esta formación generalmente ocurre a una relación

mucho más lenta. Los aluminatos cálcicos, si están presentes, reaccionarán para

formar hidratos los cuales conducen a la formación de un esqueleto sólido preliminar;

una reacción más amplia y la formación de hidrato silicato cálcico tiende a formar más

esqueleto sólido también para llenar los vacíos en el esqueleto sólido con más hidrato,

de este modo se produce el endurecimiento de la matriz cementicia. Como el CH

reacciona, el espacio ocupado por el CH será reemplazado por hidrato y este es otro

proceso de endurecimiento (Day, 1992;Quiñónez, 2010).

En el sistema cemento Portland-puzolana-agua el esqueleto inicial, el cual

causa fraguado y ganancia temprana de resistencia, es producido por la hidratación del

cemento Portland para formar CSH e hidratos sílico aluminatos. La formación de

micro-estructura a edades tempranas es casi enteramente debido al cemento Portland y

la puzolana puede ser tomada como un material inerte. A edades más tardías el rango

de reacción puzolánica llega a ser significante mientras que el rango de hidratación de

cemento Portland es pequeño o insignificante. En esta última parte cualquier poro

capilar que permanezca después de la hidratación del cemento Portland es llenado por

los productos de reacción de puzolana e hidróxido de calcio. El espacio ocupado por

el hidróxido de calcio es otra vez reemplazado por hidratos de la reacción puzolánica.

Estos mecanismos de la última parte (a) llenado y bloqueo de los poros, y (b)

reemplazo de un material débil (CH) con un material cementicio fuerte (CSH) son

particularmente los responsables de la resistencia a largo plazo y de la

impermeabilidad de materiales de construcción que son hechos con puzolanas

(Hewlett, 2004).

A pesar que la porosidad total de una pasta puzolánica es más grande que la de

una pasta de OPC a edades tempranas, con el tiempo la porosidad capilar disminuye

mientras que el espacio de poro de gel aumenta. Hay también alguna evidencia que

aún a edades más tardías el espacio de poro de gel también aumenta. Esto es un

refinamiento de la estructura de poro y es claramente responsable de ambos, la gran

disminución de la permeabilidad y el incremento significativo de la resistencia. La

efectividad de la reducción de poros grandes depende de la reactividad de la puzolana

utilizada (Mehta, 1975).

56

No obstante la amplia variedad de puzolanas y la complejidad en su

comportamiento, a nivel práctico, el ingeniero/desarrollador tiene una cantidad

sustancial de control sobre la explotación de puzolanas como materiales de ingeniería.

Con respecto a la química y mineralogía del material el desarrollador a menudo tendrá

una escogencia del depósito a ser explotado; la escogencia también dependerá en una

buena parte de la economía. Una vez que un depósito es seleccionado, la calidad del

material puede ser controlado confeccionando el tamaño de partícula y el área

superficial para obtener suficiente reactividad.

Sin embargo, el desarrollo de métodos de predicción para determinar si la

molienda mejorará la reactividad de una puzolana específica no parece estar

determinada, de manera que se debe realizar ensayos de molienda para determinar si

la inversión en el equipo de molienda podría ser justificable. En el caso de este

proyecto eso no es una limitante pues los equipos ya se tienen.

Generalmente es aceptado, después de mucha investigación durante muchos

años, que el solo análisis de óxidos en las puzolanas no puede ser muy útil en el

camino a la determinación del comportamiento ingenieril de las puzolanas.

La mineralogía y la cantidad y naturaleza de componentes de vidrio de una

puzolana es primeramente responsable para determinación de reactividad, a pesar, otra

vez, que es deseable que exista correlación con el comportamiento ingenieril (Day,

1992; Quiñónez, 2010).

La mayoría de puzolanas volcánicas se derivan de rocas geológicamente

jóvenes de formaciones Cenozoicas (Edad Terciaria, 2-65 Ma) o Cuaternarias (Edad

Cuaternaria, hasta 2 Ma). Los materiales volcánicos de Guatemala están en esos

rangos. Las puzolanas de rocas más viejas han tenido tiempo para que el vidrio

volcánico se recristalice a sustancias cristalinas más estables con el paso del tiempo y

la influencia de los procesos geológicos; como resultado, esas puzolanas parecerán ser

menos activas (Falck, 1963), aunque ello es muy discutido por otros autores en la

actualidad.

Las tobas son “rocas piroclásticas endurecidas” con un tamaño de grano

normalmente menor de 4 mm. Estas son de tres clases:

1. toba vítrea con una proporción sustancial de fragmentos de vidrio

mayor del 75%;

2. tobas cristalinas con materiales cristalinos mayores de 75%;

3. tobas líticas con fragmentos dominantes de roca cristalina. Solamente

las tobas vítreas, con alta proporción de vidrio (usualmente riolítico)

tienen alta reactividad puzolánica. Los minerales tobaceos con alto

contenido de vidrio encontrados son biotita, cuarzo, plagioclasa, augita,

albita, ortoclasa, biotita sanidina, apatita, hornblenda, muscovita,

hidrosilicato de hierro, riolita y arcillas (Falck, 1963).

Por otro lado, la andesitas, basaltos y tobas basálticas han sido comúnmente

consideradas puzolanas de inferior calidad (Mielenz, 1948). Esto no es una verdad

universal; una toba basáltica se encontró que dio concretos aceptables cuando se usó

para construcción en masa de un dique en Australia, tales concretos fueron

57

encontrados ser particularmente resistentes a la reacción alkali-agregado. Las pizarras

arcillosas son también un recurso importante de puzolanas; ellas contienen ópalo,

porcelanita, sílex y otros minerales con propiedades puzolánicas. La tierra de

diatomeas comercializado con el nombre de “Lompoc” en N. California es también

reactiva. Las puzolanas que contienen materiales zeolíticos son más a menudo

aceptados que rechazados por razones prácticas (Day, 1992; Quiñónez, 2010).

Puzolanas encontradas en diferentes localidades pueden tener similar

composición mineralógica. En una comparación de trazas de difracción de rayos X de

pómez de Guatemala, toba Boliviana y Ceniza Volante de Alberta, la similitud entre

las trazas es sorprendente; las tres puzolanas muestran una gran difusión del lomo en

las trazas que son indicativo de un alto contenido de vidrio y hay muy pocos picos

indicativos de materiales cristalinos en los materiales (Day, 1992; Quiñónez, 2010).

En resumen, no hay reglas rígidas y rápidas para determinar si de la

composición mineralógica y vidrio de una puzolana en particular, será un buen

material de construcción. Sin embargo, uno podría presumir de un examen de la

literatura que una buena puzolana con respecto a reactividad química parece ser alto

contenido de vidrio con una pequeña cantidad de material cristalino inerte o bien que

sea de intermedio a alto contenido de vidrio con una significativa proporción de

materiales cristalinos zeolíticos u opalinos. Es importante notar que una buena

reactividad química puede significar un buen comportamiento con respecto a

resistencia pero no garantiza un producto de construcción durable (Day, 1992;

Quiñónez, 2010).

Generalmente es necesario moler las puzolanas naturales para obtener

suficiente reactividad. Por consideraciones económicas es deseable, por supuesto,

localizar un material puzolánico que sea suficientemente fino en su estado natural de

manera que el área superficial esté disponible para reacción y se pueda asegurar que la

reacción puzolánica a edades tempranas sea significativa.

La indicación que un depósito es aceptable sin molienda es complicado por el

hecho que la distribución de tamaño de partículas natural de una puzolana de un

volcán variará dependiendo de la posición respecto del centro de emisión; en el caso

del Volcán St. Helen, algunos resultados prácticos indicaron que aún con una

variación del tamaño de partícula y área superficial, los índices de actividad

puzolánica (PAI) con cemento portland variaron en un rango de 38 a 69 MPa,

mientras que con cal el rango fue de 0.9 a 4.4 MPa (Day, 1992; Quiñónez, 2010).

En algunas puzolanas, el tamaño de partícula y el área superficial serán

únicamente indicadas a causa de que las partículas no tienen una porosidad inherente

sustancial. En muchas otras puzolanas, sin embargo, las partículas tienen una

estructura de poro interno y de allí que exhiban un área superficial mucho más grande

que podrían ser predichas de la distribución de tamaño de partícula.

Los investigadores han recomendado métodos de ensayo para ser capaces de

predecir la reactividad por muchos años. En América la falta de un método adecuado

para medir la actividad ha ocasionado la preparación de normas ASTM para cementos

puzolánicos.

58

Parece que cada material requiere ensayos exhaustivos, después de lo cual

puede ser posible desarrollar un método rápido empírico para propósitos de control de

lo que uno desea controlar; intentos para indicar la reactividad sobre la sola base

química o mineralógica han probado ser fracasos. Los exámenes petrográficos, el

análisis de rayos X y el análisis diferencial termal son tres métodos sofisticados que

darán una indicación general del potencial puzolánico de una materia prima, los

resultados altamente positivos serán suficientes para justificar el costo del equipo si no

está disponible.

Donde se dispone de análisis de rayos X, algunas investigaciones han mostrado

que un índice basado en difractómetro de rayos X puede ser desarrollado, lo cual da

una buena correlación con la resistencia mecánica.

En la actualidad se reconoce en Europa y está siendo reconocido en Norte

América, que el desarrollo de mejores normas para materiales debe estar centrado en

los ensayos de comportamiento más que en límites de las propiedades básicas, tales

como la química, fineza, etc. Las normas de comportamiento están llegando a ser

inminentes porque más materiales diversos y combinaciones de materiales están

siendo usados para producir productos de construcción satisfactorios; solamente las

normas de comportamiento (rendimiento) pueden esperarse que incluyan a todos esos

tipos de materiales incluyendo materiales hechos con puzolanas naturales, ellas dicen

que la “calidad de una puzolana natural o artificial para cemento puzolánico debe

ser evaluada por ensayos de resistencia”(Day, 1992; Quiñónez, 2010).Esta

aseveración se ha corroborado en varios estudios y es fundamental para el diseño de

esta propuesta de investigación.

De acuerdo con lo indicado por Soriano (2007), el término actividad

puzolánica incluye dos parámetros, la cantidad de cal combinada con la puzolana y la

velocidad a la cual se ha consumido dicha cal. Ambos factores dependerán de la

naturaleza de las puzolanas y más concretamente de la calidad y cantidad de las fases

activas. En general se considera que la cantidad de cal fijada depende de:

1. la naturaleza de las fases activas

2. el contenido en puzolana

3. el contenido de SiO2 y Al2O3 vítreo

4. la relación cal/puzolana de la mezcla

5. la edad de curado.

Mientras que la velocidad de combinación depende de:

1. la superficie específica de la puzolana

2. la relación agua/ sólido

3. la temperatura.

La reactividad, y la falta de utilidad, de muchas puzolanas naturales

inadecuadas puede ser mejorada por métodos simples, todos involucran un incremento

en el costo del material. Sin embargo, bajo muchas circunstancias el beneficio de una

puzolana puede involucrar solamente una pequeña cantidad de energía extra y así el

uso de tales puzolanas pueden llegar a ser más baratas que otros materiales

alternativos. Los métodos que se ha revisado son: molienda, calcinación

59

(especialmente con respecto a arcillas y ceniza de cascabillo de arroz), curado con

calor y mejoramiento de la reactividad por medio de la adición de activadores

químicos.

II.1.4.Normativa internacional

En las normas internacionales que se utilizan para la caracterización de este

tipo de materiales y en el registro de su reactividad por procedimientos físicos,

químicos y mecánicos son muy variadas. En América, en algunos países se utilizan

normas locales, sin embargo, generalmente toman como base las normas ASTM

(American Society for Testing Materials). Los trabajos precedentes han permitido la

identificación de una serie de normas que se consideran oportunas para esta

investigación. El listado de normas de la Sociedad Americana para el Ensayo de

Materiales que se presenta a continuación es básico para los propósitos de este trabajo;

se indica el número de cada norma, así como su nombre y su objetivo de una manera

somera.

1. ASTM C25-06 “Test Methods for Chemical Analysis of Limestone, Quicklime,

and Hydrated Lime”. Este método abarca todos los análisis químicos de

contenido de calcio de cal dolomítica, cal viva e hidratada.

2. ASTM C50-00 “Practice for Sampling, Sample Preparation, Packing, and

Marking of Lime and Limestone Products”. Esta práctica trata los

procedimientos para la recolección, empaque y marcado de productos de cal y

piedra caliza que se utilizarán para las pruebas físicas y químicas.

3. ASTM C51-07 “Terminology Relating to Lime and Limestone (as used by the

Industry)”. Esta terminología se refiere a la cal y piedra caliza, como es

utilizada en la industria.

4. ASTM C109-08“Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars”. Este

método se utiliza para determinar la resistencia a compresión de morteros de

cemento hidráulico, usando especímenes cúbicos de 2 pulgadas (50 mm) de

arista.

5. ASTM C110-09a “Standard Test Methods for Physical Testing of Quicklime,

Hydrated Lime, and Limestone”. Este método describe los ensayos para la

caracterización física de cal viva, cal hidratada y piedra caliza.

6. ASTM C114-10aStandard test methods for chemical analysis of hydraulic

cement. Estos métodos de ensayo abarcan los análisis químicos de cementos

hidráulicos.

7. ASTM C125-10a“Terminology Relating to Concrete and Concrete

Aggregates”. Esta norma es una recopilación de definiciones de los términos

tal como se usan en las normas bajo la jurisdicción del Comité C09.

8. ASTM C150-09 “Standard Specification for Portland Cement”.Esta

especificación trata sobre diez tipos de cemento Portland.

60

9. ASTM C188-09 “Standard test method for density of hydraulic cement”. Este

método de ensayo presenta la información para la determinación de la

densidad del cemento hidráulico.

10. ASTM C204-07 “Standard test methods for fineness of hydraulic cement by

air-permeability apparatus”.Este método de ensayo abarca el tema de la

determinación de la finura del cemento hidráulico, utilizando el aparato de

permeabilidad al aire de Blaine, en términos de la superficie específica

expresados como área de superficie total, en centímetros cuadrados por gramo,

o metros cuadrados por kilogramo.

11. ASTM C207-06 “Standard Specification for hydrated lime for masonry

purposes”. Esta especificación contempla cuatro tipos de cal hidratada. Tipo

N y S para uso en mortero, estuco y adición al concreto de cemento Portland.

Y tipos de NA y SA cales hidratadas adecuadas para cualquiera de los usos

anteriores.

12. ASTM C230M-08 “Standard Specification for Flow Table for Use in Test of

hydraulic Cement”. Esta especificación cubre los requisitos para la tabla de

flujo y dispositivos auxiliares utilizados en las pruebas de flujo, para mantener

la coherencia de los morteros en las pruebas de cemento hidráulico

13. ASTM C305-06“Standard Practice for Mechanical Mixing of Hydraulic

Cement Pastes and Mortars of Plastics Consistency”.Esta norma se refiere al

mezclado mecánico de pastas de cemento hidráulico y morteros de

consistencia plástica.

14. ASTM C311-07“Standard Test Methods for Sampling and Testing Fly Ash or

Natural Pozzolans for Use in Portland-Cement Concrete”. Éstos métodos de

ensayo cubren procedimientos de muestreo y ensayo de ceniza volante y

puzolanas naturales o calcinadas para uso en concreto de cemento portland.

15. ASTM C430-08 “Standard Test Method for Fineness of Hydraulic Cement by

the 45-µm (no. 325) sieve”. Este método de ensayo comprende la

determinación de la finura del cemento hidráulico por medio del tamiz No.

325 (45 - μm).

16. ASTM C511-09 “Standard Specification for Mixing Rooms, Moist Cabinets,

Moist Rooms, and Water Storage Tanks Used in the Testing of Hydraulic

Cements and Concretes.”Esta especificación incluye requisitos para cuartos de

mezclado, donde pasta y probetas de mortero se preparan; armarios húmedos,

cuartos húmedos y los tanques de almacenamiento de agua donde las muestras

de las pastas, los morteros, los hormigones se almacenan.

17. ASTM C593-06Standard Specification for Fly Ash and Other Pozzolans for

Use with Lime for Soil Stabilization. Esta norma cubre la calificación de ceniza

volante y otras puzolanas para uso con cal en mezclas plásticas, no-plásticas y

otras mezclas en que se produce reacción puzolánica requerida para

estabilización de suelos. Las puzolanas pueden ser artificiales como la ceniza

61

volante y naturales como la diatomita y la pumicita, ya sea en estado natural o

calcinado.

18. ASTM C595-06 “Specification for Blended Hydraulic Cements”.Esta

especificación se refiere a cementos hidráulicos para aplicaciones generales y

especiales, utilizando escoria, puzolana, caliza, o alguna combinación de estos,

con el cemento portland o clinker de cemento portland o escoria con cal.

19. ASTM C618-08a“Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or

Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete”. Esta especificación trata

sobre la ceniza volante de carbón y la puzona natural en crudo o calcinada

para su uso en concreto, donde se desee una acción cementicia o puzolánica, o

ambas, o donde pueda desearse alguna otra propiedad normalmente atribuida

a la ceniza volante o a las puzolanas, o donde se pretenda alcanzar ambos

objetivos.

20. ASTM C778-06“Standard Specification for Standard Sand”. Esta

especificación trata sobre la arena estándar para su uso en el ensayo de

cementos hidráulicos.

21. ASTM C821-09 “Standard Specification for Lime for Use with Pozzolans”.

Esta especificación cubre todos los tipos de cal hidratada comercial para uso

con puzolanas, tales como: altamente cálcica; magnesiana o cal hidratada

dolomítica.

22. ASTM C1005-10 “Specification for Reference Masses and Devices for

Determining Mass and Volume for Use in the Physical Testing of Hydraulic

Cements”.Esta especificación cubre los requisitos mínimos de las escalas,

balanzas, y masas de referencia utilizadas en las pruebas físicas de los

cementos hidráulicos.

23. ASTM C1157M-10 “Standard Performance Specification for Hydraulic

Cement”. Esta especificación cubre los cementos hidráulicos para aplicaciones

generales y especiales. No hay restricciones en la composición del cemento o

de sus constituyentes.

24. ASTM C1329-05 “Specification for Mortar Cement”. Esta especificación

considera 3 tipos de morteros de cemento, para su uso donde se requiera

mortero para albañilería.

25. ASTM C1437-07 “Standard Test Method for Flow of Hydraulic Cement

Mortar”. Este método de ensayo cubre la determinación del flujo de morteros

de cemento hidráulico.

26. ASTM SI10-02 IEEE/ASTM SI10 “Standard for Use of the International

System of Units (SI): The Modern Metric System”. Este documento hace

hincapié en el uso del Sistema Internacional de Unidades (SI) que es el sistema

métrico moderno e internacionalmente aceptado.

62

PARTE III

III.1. RESULTADOS

III.1.1. Resultados de la ubicación y cuantificación de la materia prima

Para la ubicación de los lugares donde se encuentran las materias primas

potenciales se utilizaron los mapas geológicos que el Instituto Geográfico Nacional

(IGN) tiene a disposición. Los mapas fueron escaneados para su mejor manejo. En la

Tabla III.se listan los mapas utilizados, con su nombre, hoja de referencia y escala

correspondiente.

Tabla III. Mapas Geológicos utilizados en la investigación para determinar la

ubicación de la materia prima (materiales volcánicos).

Mapa Hoja de Referencia Escala

Chiantla 1962 III G 1 : 50,000

Cubulco 2061 II 1 : 50,000

Los Pajales 2061 I G 1 : 50,000

Barrillas 1963 III 1 : 50,000

Amatitlán 2059 II G 1 : 50,000

Chiquimula ND 16 – 5 G 1 : 250,000

Cobán 2162 III G 1 : 50,000

Cuilapa 2158 IV G 1 : 50,000

Guatemala ND – 15 – 8 – G 1 : 250,000

Nebaj 1962 II G 1 : 50,000

Quetzaltenango ND 15 – 7 G 1: 50,000

Sanarate 2160 II G 1 : 50,000

Red Vial Guatemala 1 : 750,000

Tactic 2161 IV G 1 : 50,000

Tiritibol 2062 II G 1 : 50,000

Tucurú 2161 I G 1 : 50,000

Fuente: Instituto Geográfico Nacional (IGN), 2011

63

Tabla IV. Áreas de material volcánico potencialmente disponible para utilizarse

como puzolana mineral.

Departamento ID

A

AREA

(KM2)

ESTRATO

APROX. (KM)

VOLUMEN APROXIMADO

(KM3)

HUEHUETENANG

O

H1 5.7 0.05 0.28

H2 51.6 0.05 2.58

H3 3.9 0.05 0.20

H4 48.0 0.05 2.40

QUICHE Q1 21.2 0.05 1.06

Q2 246.4 0.05 12.32

SAN MARCOS SM1 65.4 0.05 3.27

QUETZALTENAN

GO

QZ1 53.4 0.05 2.67

QZ2 40.0 0.05 2.00

QZ3 92.1 0.05 4.61

TOTONICAPAN T1 461.5 0.05 23.07

T2 51.8 0.05 2.59

SOLOLA

S1 221.6 0.05 11.08

S2 30.5 0.05 1.53

S3 13.3 0.05 0.67

S4 5.1 0.05 0.25

SUCHITEPEQUEZ SQ1 1442.3 0.05 72.11

ESCUINTLA E1 6.2 0.05 0.31

CHIMALTENANG

O CH1 798.3 0.05 39.92

GUATEMALA G1 1385.2 0.05 69.26

JUTIAPA J1 64.8 0.05 3.24

EL PROGRESO P1 93.7 0.05 4.68

BAJA VERAPAZ BJ1 155.3 0.05 7.77

ALTA VERAPAZ AV1 43.2 0.05 2.16

AREA TOTAL 5,400.3 km2

VOLUMEN APROX. TOTAL 270.017 km3

Nota: Los volúmenes pueden fácilmente estar influenciados por los valores de los estratos

asumidos, así por ejemplo, si se estimara un estrato promedio de 150 metros, entonces los

volúmenes podrían triplicarse. Esta situación únicamente podría verificarse con equipos

sofisticados de emisión de ondas, los cuales son muy costosos; aún ellos mismos tienen

limitaciones de alcance.

Fuente: Rosales Rivas, 2012

64

El procesamiento de la información de los mapas geológicos proporcionó las

áreas que abarca cada región. Las regiones fueron delimitadas por la cantidad de

material volcánico importante para este estudio, que se encuentra en cada

departamento. Con los datos obtenidos se realizó un cálculo aproximado de los

volúmenes de la materia prima. Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla IV,

indicando el Departamento, la identificación del área, el área en kilómetros cuadrados,

el espesor de estrato asumido y el volumen aproximado en kilómetros cúbicos.

Figura 8. Disposición de material volcánico susceptible de ser utilizado como

puzolana para elaboración de aglomerantes.

Fuente: Rosales Rivas, 2012

65

El mapa de disposición geográfica de estos materiales se presenta en la Figura

8, para observar en detalle este mapa y otros adicionales se sugiere consultar los

trabajos de graduación de los ingenieros civiles Víctor Rafael Rosales Rivas y Luis

Alfredo Ochoa Marroquín, los cuales se anexan a los archivos electrónicos de este

informe.

III.1.2. Resultados de la identificación de los materiales volcánicos seleccionados

La información de los lugares seleccionados para la obtención de las muestras

se presenta a continuación, indicando características del lugar, identificación de la

muestra, coordenadas de ubicación, altura sobre el nivel del mal y una breve

descripción del tipo de material.

III.1.2.1. Muestra No. 1

Lugar: Km. 100 carretera departamental 7, CA14 –

Morazán.

Identificación Muestra: 1ARIS

Coordenadas: N 14° 56’ 46.4” .

W 90° 07’ 33.1”

Elevación: 356 msnm

Descripción: Muchos cerros de ceniza con cortes expuestos de

15 m de espesor aproximadamente. No se pudo

observar la capa de color rosado que se observó

en los otros lugares. Se encontró ceniza expuesta

capa vegetal de 15 cm con material fino y arena

pómez. Ilustración del banco de este material se

observan en la Fotografía No. 35.

Fotografía No. 35. Panorámica de un cerro de material volcánico de donde se

obtuvo la muestra 1ARIS.



Lugar: Km. 95.4 carretera departamental 7, CA14 –

Morazán.

66

Identificación Muestra: 1M

Coordenadas: N 14° 55’ 46.74”

W 90° 06’ 27.78”

Altura: 368 msnm Descripción: Capa de material sedimentario de la superficie

hacia arriba, debajo de las cuales subyace un

banco de pómez compuesto de ceniza y arena.

Existen muchos cerros alrededor de este material

y se toma como referencia para el banco

muestreado el cementerio Marujama a la orilla de

la carretera. Ilustraciones del banco de este

material se observan en la Fotografía No. 36.

Fotografía No. 36. Panorámica de un cerro de material volcánico de donde se

obtuvo la muestra 1M.



Lugar: Km. 160 carretera CA-1

Identificación Muestra: 1N


W 91° 19’ 51”

Altura: 2495 msnm

Descripción: Estrato de 1-2 metros de espesor

fundamentalmente de lapilli de pómez blanca que

subyace a un estrato de paleosuelo de color café

de aproximadamente 1-2 metros de espesor,

como puede apreciarse en la Fotografía No. 37.

67


Lugar: Km. 22 Carretera Departamental 6, CA-9-

Palencia

Identificación Muestra: 1P


W 90° 22’ 21.84”

Fotografía No. 37. Banco de material volcánico

de donde se obtuvo la muestra 1N.


Altura: 989 msnm

Descripción: Gran estrato de bloques, lapilli y ceniza de color

blanco-beige en espesor que aflora a simple vista

de aproximadamente 15-20 metros sobre la

superficie. Ver Fotografía No. 38.


de donde se obtuvo la muestra 1P.


68


Lugar: Km. 84 Carretera CA-9

Identificación Muestra: 1R


W 90° 01’ 12.6”

Altura: 350 msnm

Descripción: Estrato de color rosado expuesto en una altura

aproximadamente de 4 metros sobre la superficie,

fácilmente extraíble. Lapilli y ceniza de pómez.

En la parte superior sedimentos en capas que

oscilan entre 50 centímetros y 1 metro de

espesor. Ver Fotografía No. 39.


de donde se obtuvo la muestra 1R.



Lugar: Km. 86.3 Carretera CA-1

Identificación Muestra: 2T


W 90° 58’ 32.8”

Altura: 2347 msnm

Descripción: Estrato de color blanco-beige, cenizas, lapilli,

bombas y bloques en espesores que afloran sobre

la superficie de aproximadamente 15-25 metros.

Ver Fotografía No. 40.


Lugar: Km. 76.8 Carretera CA-1, en el trayecto que de

Patzicía conduce a Patzún.

Identificación Muestra: LC


W 90° 58’ 17.7”

69

Altura: 2099 msnm

Descripción: Estrato de lapilli de pómez + ceniza de color

blanco intenso, en espesores que afloran de la

superficie de 15-20 metros. Ver Fotografía No.

41.


de donde se obtuvo la muestra 2T.



de donde se obtuvo la muestra LC.



Lugar: Km. 187.3 Carretera CA-1, muy cerca de la

entrada a San Francisco El Alto.

Identificación Muestra: SFA


70

W 91° 26’ 21.8”

Altura: 2442 msnm

Descripción: Estrato de ceniza, lapilli, bloques y bombas de

pómez de color blanco-beige, en espesores que

afloran de la superficie de 8-12 metros, sobre el

cual se puede ver un estrato de color rosado-

salmón de aproximadamente 2-3 metros de

espesor y subyace a un estrato de paleosuelo de

aproximadamente 1-2 metros de espesor. Ver

Fotografía No. 42.


de donde se obtuvo la muestra SFA.



Lugar: Aproximadamente a 5 kilómetros que de la

Carretera CA-1 conduce a Salcajá.

Identificación Muestra: SX1 (corresponde a bombas y bloques)


W 91° 28’ 20.4”

Altura: 2350 msnm




cual se puede ver un estrato de color café de

aproximadamente 20-50 centímetros de espesor.


71


de donde se obtuvieron las muestrasSX1 y SX2.



Lugar: Aproximadamente a 5 kilómetros que de la

Carretera CA-1 conduce a Salcajá.

Identificación Muestra: SX2 (corresponde a cenizas y lapilli)


W 91° 28’ 20.4”

Altura: 2350 msnm




cual se puede ver un estrato de color café de

aproximadamente 20-50 centímetros de espesor.


III.1.3. Resultados de la caracterización física de los materiales volcánicos

seleccionados

Los resultados de la caracterización física de los materiales volcánicos,

realizada de acuerdo con lo indicado en el numeralI.4.3. de este informe,se resume en

las TablasV y VI. El detalle de los resultados y su análisis estadístico se puede

consultar en el los trabajos de graduación de los ingenieros civiles Víctor Rafael

Rosales y Luis Alfredo Ochoa que se adjuntan en los archivos electrónicos de este

informe (ver Anexos IV.4.2. y IV.4.3.).

El resultado del análisis de distribución de tamaño de partículas con láser

realizados en la muestra 1R en el Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón –

ICITECH-, de la Universidad Politécnica de Valencia –UPV-, se presenta en la

Figura 9.

72

Tabla V. Resultados de la caracterización física de los materiales volcánicos.

Muestra

No.

Nomen-

clatura

%

Humedad

% pasa

tamiz

¼”

% pasa

tamiz No.

30

% pasa

tamiz No.

200

% pasa

tamiz No.

325, 3 (h)

01 1 ARIS 19.7 99.8 89.0 25.1 99.4

02 1M 10.0 100.0 73.0 11.7 99.2

03 1N 32.2 54.0 39.0 5.3 99.6

04 1P 16.7 85.1 60.0 20.8 99.8

05 1R 12.1 99.2 93.0 38.2 99.4

06 2T 31.8 83.0 72.5 22.1 99.2

07 LC 9.1 83.5 65.3 20.8 99.2

08 SFA 4.55 88.4 75.8 31.3 99.6

09 SX1 25.2 73.2 61.3 29.5 99.3

10 SX2 10.6 99.7 62.5 31.5 98.3


III.1.4. Resultados de la caracterización mineralógica de los materiales volcánicos

seleccionados

III.1.4.1. Caracterización mineralógica con microscopio estereoscópico

Los resultados de la caracterización mineralógica de los materiales volcánicos,

realizada de acuerdo con lo indicado en el numeral I.4.4. de este informe, se

presentan en las Tablas VII-XVI. En cada caso se indica el color, estructura, brillo,

nombre, composición química y composición mineralógica.

73

Tabla VI. Resultados de caracterización física de los materiales volcánicos.

Muestra

No.

Nomen-

clatura

Densidad

(g/cm3)

S.E.

cm2/g

F.S. en

Agua

%

Pérdida por

Ignición %

Color

01 1 ARIS 2.39 4212 3.03 blanco

02 1M 2.55 4612 1.87 beige

03 1N 2.52 5469 1.67 blanco

04 1P 2.83 5086 2.47 blanco

05 1R 2.38 4274 2.60 rosado

06 2T 2.38 3619 2.75 beige

07 LC 2.39 3220 3.14 beige

08 SFA 2.36 3036 2.26 Rosado-blanco

09 SX1 2.46 ---- 2.32 blanco

10 SX2 2.43 4059 2.09 blanco


Tabla VII. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico de la

muestra No. 1, 1ARIS.

Color Blanquecino-beige

Estructura Granular

Brillo No metálico

Nombre Material de origen igneo

Composición química Silícico-Siálico (SiO2 + 65%)

Composición mineralógica Micas (Biotita), componentes líticos escasos

(Basaltos/Andesita), Pómez, Hornblendas

escasas, abundante Vidrio y Cuarzo.

Fuente: Quiñónez 2012

74

Figura 9. Ejemplo de gráfica de distribución de partículas en muestras de

materiales volcánicos, utilizando la técnica de Rayos Láser, en este caso para la

muestra 1R, con indicación de los porcentajes contenidos en cada tamaño, en este

caso por volumen


75

Tabla VIII. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico de la

muestra No. 2, 1M.

Color Blancuzco

Estructura Granular

Brillo No metálico

Nombre Material de origen igneo


Composición mineralógica Micas (Biotitas), Hornblendas escasas, se

encontró Pirita (1 fragmento), abundante

Vidrio y Cuarzo.


Tabla IX. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico de la

muestra No. 3, 1N.

Color Blanco

Estructura Granular

Brillo No metálico

Nombre Material de origen ígneo

Composición química Silícico-Siálico ((SiO2 + 65%)

Composición mineralógica Micas (Biotita) escasas, Pómez, abundante

Vidrio y Cuarzo


TablaX. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico de la

muestra No. 4, 1P. Color Blanco

Estructura Granular

Brillo No metálico

Nombre Mineral de origen ígneo

Composición química Silícico-Siálico ((SiO2 + 65%)

Composición mineralógica Micas (Biotitas) escasas, componentes líticos

escasos, (Basaltos/Andesita), Pómez,

Hornblendas abundante Vidrio y Cuarzo.


Tabla XI. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico de la

muestra No. 5, 1R.

Color Rosado

Estructura Granular fino

Brillo No metálico

Nombre Mineral de origen igneo


Composición mineralógica Micas (Biotitas) escasas, Pómez, abundante

Vidrio y Cuarzo.


76

Tabla XII. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico de la

muestra No. 6, 2T.

Color Blanco

Estructura Granular

Brillo No metálico

Nombre Mineral de origen ígneo



Vidrio y Cuarzo.


Tabla XIII. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico de la

muestra No. 7, LC.

Color Blanco

Estructura Granular

Brillo No metálico




Vidrio y Cuarzo.


Tabla XIV. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico de la

muestra No. 8, SFA.

Color Gris claro – Blanquecino

Estructura Granular

Brillo No metálico



Composición mineralógica Micas (Biotitas), componentes líticos

(Basaltos/Andesita), abundante Vidrio y

Cuarzo.


Tabla XV. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico de la

muestra No. 9, SX1.

Color Blanquecino-beige

Estructura Granular

Brillo No metálico



Composición mineralógica Micas (Biotitas) escasas, Hornblendas

escasas, abundante Vidrio y Cuarzo.


77

Tabla XVI. Resultado de la observación en el microscopio estereoscópico de la

muestra No. 10, SX2.

Color Blanco

Estructura Granular

Brillo No metálico



Composición mineralógica Micas (Biotitas) escasas, Pómez,

Hornblendas, se encontró Calcita (1

fragmento), abundante Vidrio y Cuarzo.


III.1.4.2. Caracterización mineralógica con equipo de Difracción de Rayos X

Los resultados de la caracterización mineralógica obtenidos por la técnica de

Difracción de Rayos X en los laboratorios del Instituto de Ciencia y Tecnología del

Hormigón –ICITECH- de la Universidad Politécnica de Valencia –UPV-, se presentan

en las Figuras 10-13, en cada caso se identifica el número de la muestra y la

nomenclatura adoptada.

III.1.5. Resultados de la caracterización química de los materiales volcánicos

seleccionados

III.1.5.1. Resultados de la caracterización química utilizando Fluorescencia de Rayos

X (FRX)

Los resultados de la caracterización química de los materiales volcánicos,

realizada de acuerdo con lo indicado en el numeral I.4.5. de este informe, se presenta

en la Tabla XVII. Se indica el banco y su nomenclatura, contenido de óxido de sílice,

óxido de aluminio, óxido de hierro, óxido de calcio, óxido de magnesio, óxido de

potasio, óxido de sodio y trióxido de azufre.

III.1.5.2. Resultados de la caracterización química por Fotometría

Los resultados de la caracterización química de los materiales volcánicos,

realizada de acuerdo con lo indicado en el numeral I.4.5. de este informe, se presenta

en la Tabla XVIII. Se indica el banco y su nomenclatura, contenido de óxido de

sílice, óxido de aluminio, óxido de hierro, óxido de calcio, óxido de magnesio.

78

Figura 10. Difractograma de Rayos X de la Muestra No. 1 (1ARIS)


Figura 11. Difractograma de Rayos X de la Muestra No. 2 (1M)


79

Figura 12. Difractograma de Rayos X de la Muestra No. 3 (1N)


Figura 13. Difractograma de Rayos X de la Muestra No. 4 (1P)


80

Tabla XVII. Caracterización química por Fluorescencia de Rayos X (FRX)

(% en masa, CETEC).


Tabla XVIII. Caracterización química por Fotometría Nova 60 (% masa)

BANCO No. y Nomenclatura

%SiO2 %Al2O3 %Fe2O3 %CaO %MgO

MEDIA MEDIA MEDIA MEDIA MEDIA

1 (1ARIS) 70.41 13.10 1.30 1.35 0.02

2 (1M) 67.98 15.2 2.84 2.01 0.22

3 (1N) 72.26 13.15 2.15 3.05 0.02

4 (1P) 72.52 13.51 2.16 1.60 0.03

5 (1R) 74.2 12.24 1.64 1.65 0.13

6 (2T´) 70.19 13.87 1.55 2.72 0.01

7 (LC) 71.98 12.81 0.91 2.37 0.02

8 (SFA) 70.26 11.11 1.64 2.2 0.02

9 (SX1) 73.05 12.11 2.27 2.17 0.01

10 (SX2) 72.22 13.67 1.85 2.07 0.01


III.1.6. Resultados de la caracterización física y química del hidróxido de calcio

Los resultados obtenidos de la caracterización física y química del hidróxido de

calcio utilizado, se presentan en la Tabla XIX. Los análisis fueron realizados de

acuerdo con lo indicado en el numeral. I.4.6.

BANCO No. y Nomenclatura %SiO2 %Al2O3 %Fe2O3 %CaO %MgO %K2O %Na2O %SO3

1 (1ARIS) 73.3 13.08 1.48 0.86 0 4.23 2.55 0.01

2 (1M) 70.42 13.86 2.8 1.57 0 2.91 3.54 0

3 (1N) 73.89 15.18 2.49 2.35 0 2.5 3.57 0.01

4 (1P) 73.61 13.6 1.45 1 0 3.62 3.78 0.01

5 (1R) 74.58 13.27 1.3 0.82 0 3.54 3 0

6 (2T) 72.46 13.74 1.87 2.16 0 2.81 3.58 0.05

7 (LC) 74.23 13.61 1.07 1.64 0 3.35 3.26 0

8 (SFA) 73 13.93 1.77 1.34 0 3.6 3.38 0

9 (SX1) 72.95 13.85 2.05 1.61 0 3.09 3.48 0.05

10 (SX2) 73.74 14.4 2.3 1.63 0 3.29 3.84 0.01

81

Tabla XIX. Resultados del análisis de laboratorio del Hidróxido de Calcio

utilizado en la reactividad química de los materiales volcánicos

PARÁMETRO RESULTADO

Humedad 0.84% ± 0.01%

Peso específico 2.399 ± 0.09 g/cc

Pérdida por ignición 24.07% ± 2.29%

Óxido de calcio (CaO) 73.75%

Óxido de magnesio (MgO) 0.99%

Óxido de silicio(IV) (SiO2) 0.65%

Óxido de aluminio(III) (Al2O3) 0.24%

Óxido de hierro(III) (Fe2O3) 0.06%


III.1.7. Resultados de la determinación del índice de actividad puzolánica de las

muestras, en función de su respuesta mecánica

Los resultados obtenidos de la determinación del índice de actividad puzolánica

de las muestras de los diez bancos de materiales volcánicos, realizada de acuerdo con

lo indicado en el numeral. I.4.7. se presentan en la Tabla XX.

III.1.8. Resultados de la determinación del índice de actividad puzolánica de las

muestras, en función de su respuesta química

Los resultados obtenidos de la determinación del índice de actividad puzolánica

de las muestras de los bancos de materiales volcánicos, realizada de acuerdo con lo

indicado en el numeral. I.4.8. se presentan en la Tabla XXI. Los resultados muestran

los valores obtenidos en cinco muestras mediante el método gravimétrico utilizado en

los laboratorios de Química Industrial del Centro de Investigaciones de Ingeniería de

la Universidad de San Carlos de Guatemala.

Los resultados obtenidos de los análisis de pastas de cal con materiales

volcánicos mediante el método termogravimétrico y realizados en el Centro de

Investigaciones del Hormigón de la Universidad Politécnica de Valencia se muestran

en las Figuras 14-16.

82

Tabla XX. Resumen de los resultados de los ensayos de resistencia a la

compresión para las edades de 7 y 28 días

BANCO No. y Nomenclatura

Resistencia

a la compresión

7d (MPa)

D. S. (MPa)

7d

C. V. (%) 7d

Resistencia

a la compresión 28d (MPa)

D. S. (MPa) 28d

C.V. (%) 28d

1 (1 ARIS)

6.74

0.17

3.0

6.58

0.11

2.0

2 (1M)

5.86

0.44

7.0

5.76

0.21

4.0

3 (1N)

5.75

0.08

1.0

5.39

0.15

3.0

4 (1P)

5.46

0.39

7.0

5.47

0.13

2.0

5 (1R)

6.63

0.10

2.0

6.38

0.13

2.0

6 (2T)

6.83

0.31

5.0

6.77

0.18

3.0

7 (LC)

5.61

0.09

2.0

5.82

0.09

1.0

8 (SFA)

7.23

0.17

2.0

6.59

0.12

2.0

9 (SX1)

6.29

0.23

4.0

9.01

0.15

2.0

10 (SX2)

6.15

0.11

2.0

5.96

0.32

5.0


83

Tabla XXI. Porcentaje de consumo de iones calcio en función del tiempo.

Identificación del

Número del

Banco y

Nomenclatura

Rango de

edades CONSUMO(%)

CONSUMO

TOTAL (%)

5 (1R)

0-1 26.80%

82.07%

1-3 50.51%

3-7 3.34%

7-14 1.33%

14-28 0.09%

9 (SX1)

0-1 24.80%

88.65%

1-3 54.95%

3-7 7.12%

7-14 1.56%

14-28 0.22%

6 (2T)

0-1 33.70%

89.68%

1-3 41.38%

3-7 5.34%

7-14 8.23%

14-28 1.02%

7 (LC)

0-1 58.17%

93.55%

1-3 22.92%

3-7 7.12%

7-14 5.12%

14-28 0.22%

1 (ARIS)

0-1 32.14%

91.77%

1-3 34.49%

3-7 17.13%

7-14 7.34%

14-28 0.67%


84

Figura 14. Curvas termogravimétrica y Diferencial de pasta de cal con material

volcánico 1R, para la edad de 3 días.

Fuente: Quiñónez, 2012




85




III.2. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS

III.2.1. Sobre la determinación del índice de reactividad puzolánica de diez

bancos de materiales de la franja volcánica de Guatemala en combinación con

hidróxido de calcio, para su utilización en la producción de un cemento para

construcción

En Guatemala existe una superficie de más de cinco mil kilómetros cuadrados

donde se ubican materiales volcánicos susceptibles de ser explotados para producción

de aglomerantes alternativos o bien como adiciones para la elaboración de concretos.

Un cálculo muy ligero realizado en este trabajo sobre el volumen de ese material

sobrepasa los 250 kilómetros cúbicos. La investigación geológica de este trabajo se

adicionó a la investigación originalmente propuesta y constituye un valor agregado de

extraordinaria importancia. Las características de los materiales volcánicos

encontrados en la franja volcánica guatemalteca se tratan con mayor detalle en el

numeral III.2.2.

La caracterización física realizada evidencia que las diez muestras de material

volcánico seleccionado rebasan los límites establecidos por la normativa internacional

adoptada. Cuatro muestras mostraron una finura natural muy alta; cuatro muestras

mostraron finuras intermedias y dos de ellas con finuras con contenidos de grano

mayores. Todas las muestras, sin embargo, se considera que deben ser procesadas

para alcanzar valores de finura para los cuales la reacción puzolánica es posible. Los

análisis de distribución de partículas con rayos láser presentaron importante

información en cuanto a las graduaciones de los materiales. La discusión más amplia

al respecto se hace en el numeral III.2.3.

86

En los análisis de composición mineralógica con microscopía estereoscópica

se pudo establecer que las diez muestras sugieren un porcentaje mayor de 65% de

óxido de sílice, de origen ígneo. De manera que la selección de las diez muestras se

considera acertada.

Los análisis de composición mineralógica con la técnica de Difracción de

Rayos X evidenciaron que todas las muestras tienen algún grado de amorficidad

considerable que va desde alto hasta poco, dependiendo de la muestra analizada, esta

información se discute con mayor detalle en el numeral III.2.4.2.

De acuerdo con los resultados de los análisis de Fluorescencia de Rayos X y

de Fotometría, todas la muestras tienen más del 80% de contenido de SiO2 + Al2O3

+ Fe2O3, mucho más alto que lo mínimo recomendado por la norma internacional

adoptada. Una discusión más amplia al respecto se presenta en el numeral III.2.5.

Los análisis realizados en los laboratorios de la Facultad de Ingeniería

utilizaron hidróxido de calcio con 74% de pureza, mientras que el que se utilizó en los

laboratorios de la Universidad Politécnica de Valencia fue de 98% de pureza.

En las determinaciones de la respuesta mecánica de los materiales volcánicos

seleccionados, en las condiciones de curado que la normativa seleccionada indica,

tanto para la edad de 7 días como para 28 días, los resultados indican valores más

altos que los mínimos requeridos por la misma norma. Los valores de resistencia a la

compresión a 7 días de edad se mantienen para 28 días, con muy ligeras variaciones.

Estos valores son muy confiables ya que los coeficientes de variación se situaron en

un rango muy reducido. Una ampliación de esta información se encuentra en el

numeral III.2.71. y III.2.7.2.

Los valores de consumo de iones calcio en la matriz cal-material volcánico por

el Método Gravimétrico evidencian reacción puzolánica importante en los primeros

tres días de edad, con valores que en el 90% de los casos supera el 70%. Esta

situación fue dramáticamente ratificada por los análisis de Termogravimetría, los

cuales evidenciaron un consumo alto de iones calcio para los primeros tres días de

edad, mayores aún que para el caso del Método Gravimétrico.

De acuerdo con los resultados obtenidos, considerando los análisis físicos,

mineralógicos y químicos de los materiales volcánicos seleccionados, así como los

mostrados cuando se evaluó la reactividad puzolánica por procedimientos mecánicos y

químicos en matrices formadas por esos materiales en combinación con hidróxido de

calcio, se puede afirmar que todas las muestras seleccionadas tienen un alto índice de

reactividad que los ubica como potenciales para la producción y/o elaboración de

aglomerantes alternativos o para ser utilizados como adiciones minerales activas en la

producción de cementos y/o morteros y concretos. El orden prioritario de selección de

las muestras analizadas para usos particulares debe hacerse tomando en cuenta no

solamente los resultados de laboratorio, sino también las condiciones físicas propias

de los yacimientos, los métodos de producción y el fin último de los materiales.

87

III.2.2. Sobre la investigación geológica del material volcánico susceptible de

utilizarse con propósitos aglomerantes en Guatemala

La investigación geológica realizada evidencia de acuerdo a los resultados que

se muestran en la Tabla IV, que en Guatemala existe un superficie mínima de material

volcánico susceptible de explotarse de aproximadamente 5,400 kilómetros cuadrados.

Los volúmenes de este material están notablemente influenciados por la

estratigrafía de los depósitos potenciales. Un ejercicio realizado en esta investigación

y mostrado en la Tabla IV, que supone un espesor promedio de 0.05 kilómetros,

potencia el volumen en aproximadamente 270 kilómetros cúbicos. Como se menciona

al pie de esa tabla, los volúmenes pueden fácilmente estar influenciados por los

valores de los estratos asumidos. Por otra parte, la estratigrafía también es un factor

determinante para la explotación del recurso; los depósitos ubicados en la región

Centro-Oriente del país presentan las mejores opciones desde ese punto de vista.

De acuerdo con la división estructural y fisiográfica de Guatemala, la mayor

parte del recurso se ubica en la Zona Volcánica, precisamente donde se ubica la mayor

parte de la población, ratificando lo dicho por Bonis (1967) y Weyl (1980).

En las investigaciones de campo se notó que el vulcanismo cuaternario de la

parte sureste de Guatemala difiere notablemente del de las partes altas (altiplano), tal

como indicara Williams, McBirney & Dengo (1964), así como Carr (1974), los

volcanes activos en esa zona están en reposo y la pómez en esa zona es muy rara. Los

materiales de pómez analizados provinieron consecuentemente de la zona occidental,

central y centro-oriental del país.

En general, las muestras 1ARIS Y 1R corresponden a cenizas que yacen en

cerros numerosos con la morfología característica de la zona cercana al Valle del

Motagua. Estos materiales están en una posición estratigráfica inmejorable para su

explotación y su acceso es inmediato. La muestra 1M es característica de un material

sedimentario, único en su género, en relación con los otros materiales estudiados en

este trabajo.

Las muestras 1N y LC son estratos de lapilli de pómez, con alguna dificultad

para su explotación derivada de su posición estratigráfica, aunque su acceso es muy

bueno.

Las muestras 1P, 2T, SFA y SX2, son estratos de bloques, lapilli y cenizas,

características de la unidad más extendida en la franja volcánica. Mientras que la

muestra SX1 presenta además una fracción de material con diámetros equivalentes

mayores a los bloques de las muestras anteriores.

III.2.3. Sobre la caracterización y evaluación física de las diez muestras de

puzolanas

Los porcentajes de humedad de las muestras estuvieron entre 9% y 32%.

Aunque los datos están muy influenciados por la época de toma de las muestras, se

pudo comprobar que todos los materiales son muy buenos retenedores de humedad;

88

esta característica no es determinante en cuanto a la reactividad de los materiales, pero

si influye en su proceso.

Las muestras 1 ARIS, 1M, 1R y SX2 evidenciaron la mayor finura en estado

natural ya que más del 90% pasó el tamiz de ¼”. Las muestras 1P, 2T, LC y SFA

presentaron finuras menores que las anteriores en estado natural, con valores entre 80

y 90% que pasa el tamiz de ¼”. La muestraSX1 tuvo una finura natural de 73% que

pasa el tamiz de ¼” y finalmente la muestra 1N presentó el menor porcentaje con

54%.

De acuerdo con los resultados mostrados en la Tabla V, todas las muestras

tienen porcentajes mayores del 30% que pasa en tamiz No. 30 y mayores del 2% que

pasa el tamiz No. 200; la muestra más crítica siempre fue la 1N, cuestión que era

evidente desde la observación en campo.

Los valores obtenidos satisfacen en todos los casos, los mínimos establecidos

por los requerimientos de la norma ASTM C593-06(2011).

Como complemento a los requerimientos de la norma adoptada, se aprecia en

los análisis de distribución de partículas con rayos láser, de acuerdo a la Figura 7, que

todas las muestras presentan las siguientes características:

a. El rango de valores de diámetro equivalente de las partículas está entre 0.2 y

200 µm.

b. El 10% del volumen del material volcánico está por debajo del diámetro

equivalente en el rango entre 1.185 y 1.314µm.

c. El 90% del volumen del material volcánico está por encima del diámetro

equivalente en el rango entre 22.506 y 36.135 µm.

d. El 50% del volumen del material volcánico está por debajo del diámetro

equivalente en el rango entre 5.544 y 8.126µm.

e. El diámetro promedio equivalente para todos los casos está en el rango entre

9.383 y 13.915 µm.

La densidad de los materiales volcánicos está en el rango entre 2.36 y 2.83

g/cc. La mayor parte de los materiales está en el rango entre 2.40 y 2.60 g/cc; la

muestra 1P presentó un valor de 2.83 g/cc.

La superficie específica obtenida por el procedimiento Blaine mostró valores

que están en el rango entre 3200 y 5500 cm2/g. Las muestras 1N y 1P mostraron los

valores más altos.

Los valores de pérdida por calcinación estuvieron en el rango entre 1.6 y 3.2%

para todos los casos.

III.2.4. Sobre la caracterización y evaluación mineralógica de las diez muestras

de puzolanas

III.2.4.1. Caracterización y evaluación mineralógica con microscopía estereoscópica

89

Las determinaciones realizadas con microscopía estereoscópica en el Centro de

Estudios Superiores de Energía y Minas de la Facultad de Ingeniería de la Universidad

de San Carlos de Guatemala, sugirieron, de acuerdo a los informes presentados en el

numeral III.1.4.1. de este informe, en las Tablas VII a XVI, que las diez muestras, en

general, tienen colores claros (blanco, rosado y beige); en todos los casos con

estructuras granulares y brillo no metálico; además de origen ígneo. La composición

química supuesta en los análisis de las diez muestras, pronosticaron un porcentaje

mayor de 65 % de óxido de sílice, cuestión que fue posteriormente comprobado.

La composición mineralógica de las diez muestras varió un poco, pero todas

fueron abundantes en cuarzo y vidrio. Escasas micas (Biotitas) se encontraron,

algunos componentes líticos (Basaltos/Andesitas), escasas Hornblendas y pómez.

De acuerdo con estos resultados, la escogencia de las muestras en campo

fueron 100% efectivas, pues todos los materiales seleccionados son de origen ígneo,

con altos contenidos de sílice y mineralógicamente con cuarzo y vidrio, lo cual es un

indicativo de mucha probabilidad de una composición amorfa; también fue ratificado

en los análisis de Difracción de Rayos X.

III.2.4.2. Caracterización y evaluación mineralógica con microscopía estereoscópica

Los análisis realizados para determinar la composición mineralógica de las

diez muestras con aparato de Difracción de Rayos X, evidenciaron de acuerdo a los

difractogramas presentados en el numeral III.1.4.2., como ejemplo, las gráficas de las

Figuras 10-13, que las diez muestras de materiales volcánicos presentan algún grado

de amorficidad.

Las muestras con un grado alto de amorficidad fueron: 1ARIS; 1P; 1R y 2T.

Las muestras consideradas como amorfas fueron: SFA y SX1. Las muestras

consideradas con algún grado de amorficidad fueron: LC y SX2, mientras que las

muestras 1M y 1N fueron consideradas con bajo nivel de amorficidad.

III.2.5. Sobre la caracterización y evaluación química de las diez muestras de

puzolanas

Los resultados de los análisis químicos de las diez muestras de materiales

volcánicos mostrados en el numeral III.1.5.1., por Fluorescencia de Rayos X (FRX)

como por Fotometría (FTM), evidencian la siguiente composición química:

con técnica FRX se obtuvieron contenidos que están entre 70 y 74% de SiO2,

independientemente de la muestra, mientras que con la técnica FTM el rango

de valores se situó entre 68 y 74%.

Para el caso de Al2O3, el rango de valores para la técnica FRX estuvo entre 13

y 15%, mientras que en la técnica FTM estuvo entre 12 y 15%.

El rango de valores de contenido de Fe2O3 estuvo entre 1 y 2.5% para FRX y

entre 1 y 3% para FTM.

Los valores del rango obtenido con la técnica FRX para CaO estuvieron entre

1 y 2%, mientras que para la técnica FTM estuvieron entre 1 y 3%.

Para el caso de MgO, las dos técnicas indicaron valores muy cercanos a 0%.

90

Los valores de contenido de K2O y Na2O estuvieron en el rango de 2.5 y 4

para la técnica FRX. Dichos valores no fue posible obtenerlos por la técnica

FTM.

Los valores de SO3 son extremadamente bajos (0.01 a 0.05), según la técnica

FRX; con la técnica FTM no fue posible medirlos.

De acuerdo con estos resultados, para todos los casos se satisface el

requerimiento de la norma en cuanto a que la sumatoria de los contenidos de SiO2 +

Al2O3 + Fe2O3, debe ser mayor de 70%, pues aunque se tomaran los menores datos

de todos los casos se tendría un valor de 81% en dicha sumatoria.

III.2.6. Sobre la determinación y evaluación física y química del hidróxido de

calcio y otros materiales que se utilizaron con puzolanas

Todos los materiales utilizados tuvieron los requerimientos mínimos

establecidos por la normativa internacional respectiva, de acuerdo a las

determinaciones de laboratorio. Sobresale el dato de contenido de CaO en el

Hidróxido de Calcio empleado, con un valor aproximado de 74%, de acuerdo a lo

indicado en la Tabla XIX del numeral II.1.6.

Para el caso de la determinación del porcentaje de calcio fijado por el material

volcánico, en la técnica de Fotogravimetría, se utilizó un Hidróxido de Calcio con un

contenido de 98% de CaO.

III.2.7. Sobre la determinación y evaluación de la actividad puzolánica mediante

el establecimiento del desarrollo de la resistencia a compresión de las muestras de

puzolana en combinación con otros materiales e hidróxido de calcio

III.2.7.1. Evaluación para siete días de edad

Según los resultados mostrados en la Tabla XX, en el numeral III.1.7., todas

las muestras estuvieron por encima del valor mínimo especificado para siete días por

la norma adoptada (4.1 MPa). El rango de valores de resistencia a compresión se

situó entre 5.5 y 7.25 MPa, estos valores se sitúan en el rango más alto de reacción.

Las muestras que mejores resultados presentaron para esta edad fueron SFA, 1R y 2T.

Los valores de Coeficiente de Variación se situaron en el rango de 1 a 7%,

considerándose los resultados como muy confiables, ya que el 80% de las muestras

tuvieron un coeficiente de variación menor de 5%.

III.2.7.2. Evaluación para veintiocho días de edad

De acuerdo con los resultados mostrados en la Tabla XX del numeral III.1.7.,

los valores de resistencia mecánica para la edad de veintiocho días en todas las

muestras, se situaron entre 5.4 y 6.8 MPa, con un coeficiente de variación que osciló

entre 1 y 4%. El valor mínimo para considerar reactiva la muestra según la norma

internacional adoptada es de 4.1 MPa. Las muestras con mejores resultados fueron

las procedentes de los bancos SFA, 1R, 2T y SX1.

91

III.2.8. Sobre la determinación y evaluación de la actividad puzolánica mediante

el establecimiento del desarrollo de la reacción química de las muestras de

puzolana en combinación con otros materiales e hidróxido de calcio

II.2.8.1. Determinación de la actividad puzolánica con el Método Gravimétrico

Los valores obtenidos en los análisis de los materiales volcánicos por el

Método Gravimétrico, indicados en la Tabla XXI del numeral III.1.8 indican que el

consumo de iones calcio en la matriz material volcánico-cal, se situó en el rango de 82

y 94%, para todas las muestras. De la misma manera, para todas las muestras el

mayor consumo de iones calcio se situó para las edades entre 0 a 72 horas de contacto

con el agua; el consumo para esas edades se situó en el rango entre 67 y 81%.El

rango de edades de mayor fijación estuvo entre 24 y 72 horas.

III.2.8.2. Determinación de la actividad puzolánica por Termogravimetría Avanzada

(TGA)

Como puede apreciarse en la gráfica de la Figura 14, para la edad de 3 días se

observa un consumo alto de la cal disponible en la pasta cal-muestra 1R

(aproximadamente 95%). También se aprecia una escasa formación de Silicato

Cálcico Hidratado y probablemente Aluminato Cálcico Hidratado.

Una mejor definición de esa fijación se observa en la gráfica de la Figura 15,

correspondiente a la muestra 1R para 7 días de edad. Hay un consumo casi total de la

cal disponible en la matriz aglomerante. Un progreso en la formación de SCH y

probable AlCH se puede apreciar.

En la gráfica de la Figura 16 se aprecia un consumo total de cal en la pasta que

fue elaborada con la muestra 1R, con formación muy acentuada de SCH y

probablemente de AlCH.

92

PARTE IV

IV.1 CONCLUSIONES

IV.1.1. Se determinó el índice de reactividad puzolánica de diez bancos de materiales

de la franja volcánica de Guatemala en combinación con hidróxido de calcio,

para su utilización en la producción de un cemento para construcción. Los

análisis termo-gravimétricos realizados con el equipo descrito en los numerales

I.5.4. y Fotografías Nos. 18-20, así como los resultados indicados en la Tabla

XXI y Figuras 14-16 muestran una clara evidencia de la reactividad química de

las diez muestras de material volcánico seleccionadas. Por otra parte, los

análisis mecánicos realizados con los equipos descritos en los numerales I.5.6

y Fotografías Nos. 22-30, así como los resultados indicados en la Tabla XX

evidencian una clara reactividad mecánica de las diez muestras de material

volcánico seleccionado. El índice de reactividad mecánica mínimo reconocido

por la normativa internacional es de 4.1 MPa; mientras que los índices

obtenidos en las muestras seleccionadas oscilaron entre 5.4 y 9.0, de acuerdo a

la Tabla XX. De manera que todas las muestras seleccionadas tienen un índice

de reactividad, catalogada por las clasificaciones internacionales de estos

materiales, como intermedia a alta.

IV.1.2. Se realizó la caracterización y evaluación de las diez muestras de material

volcánico, desde el punto de vista físico. Los equipos descritos en el numeral

I.5.2 y Fotografías Nos. 3-13 fueron utilizados para alcanzar este objetivo.

Según los resultados mostrados en las Tablas V y VI, así como en la Figura 9,

todas las muestras seleccionadas tienen las características físicas mínimas para

ser consideradas como posibles fuentes de materiales puzolánicos.

IV.1.3. Se caracterizaron y evaluaron las diez muestras de materiales volcánicos,

desde el punto de vista mineralógico. Los equipos descritos en el numeral

I.5.3 y Fotografías Nos. 14 y 15 fueron utilizados para alcanzar este objetivo.

Según los resultados mostrados en las Tablas VII-XVI de los análisis con

Microscopio Estereoscópico, así como las Figuras 10-13 de los análisis por

Difracción de Rayos X, las muestras 1ARIS, 1P, 1R Y 2T son de un alto grado

de amorficidad; las muestras SFA y SX1 son consideradas como amorfas; las

muestras LC y SX2 tienen algún grado de amorficidad; mientras que las

muestras 1M y 1N se clasifican como cristalinas. Derivado de estos

resultados, las primeras cuatro muestras se pronosticaron, según este criterio,

como las candidatas a tener mayor reactividad, lo cual fue posteriormente

ratificado.

IV.1.4. Se realizó la caracterización y evaluación de las diez muestras de material

volcánico, desde el punto de vista químico. Los equipos descritos en el

93

numeral I.5.4 y Fotografías Nos. 16-20 fueron utilizados para alcanzar este

objetivo. Según los resultados mostrados en las Tablas XVII y XVIII de los

análisis por Fluorescencia de Rayos X y por Fotometría, respectivamente,

todas las muestras presentaron un contenido de Óxido de Sílice que oscila en el

intervalo entre 68 y75%, lo cual es congruente con los análisis de Difracción

de Rayos X y de Microscopía Estereoscópica realizados previamente.

Además se comprobó que los contenidos de Óxido de Aluminio estuvieron

para todas las muestras en el rango entre 12 y 15%, mientras que los

contenidos de Óxido de Hierro estuvieron en el rango entre 0.8 y 2.8%. En

todos los casos la sumatoria de estos tres Óxidos estuvo en el intervalo entre

83 y 92%, superando notoriamente el valor mínimo (70%) sugerido por las

normas adoptadas.

IV.1.5. Se caracterizó y evaluó física y químicamente el hidróxido de calcio y otros

materiales que se utilizaron para el uso con las puzolanas. Parte del equipo

utilizado en la caracterización química fue usado para lograr este objetivo; los

resultados de la Tabla XIX indican que según los análisis realizados, el

Hidróxido de Calcio mostró un 74% de pureza. Este resultado es lógico y

complementado con los valores de pérdida por calcinación que oscilaron entre

22 y 26%. Para el caso de los análisis microscópicos, el grado de pureza fue

de 98%.

IV.1.6. Se determinó y evaluó la actividad puzolánica mediante el establecimiento del

desarrollo de la resistencia a compresión de las muestras de puzolanas en

combinación otros materiales e hidróxido de calcio. Los análisis mecánicos

realizados con los equipos descritos en los numerales I.5.6 y Fotografías Nos.

22-30, así como los resultados indicados en la Tabla XX evidencian una clara

reactividad mecánica de las diez muestras de material volcánico seleccionado.

El índice de reactividad mecánica mínimo reconocido por la normativa

internacional es de 4.1 MPa; mientras que los índices obtenidos en las

muestras seleccionadas oscilaron entre 5.4 y 9.0, de acuerdo a la Tabla XX.

De manera que todas las muestras seleccionadas tienen alto grado de reacción

mecánica, catalogada por las clasificaciones internacionales de estos

materiales, como intermedia a alta.

IV.1.7. Se determinó y evaluó la actividad puzolánica mediante el establecimiento del

desarrollo de la reacción química de las puzolanas con otros materiales e

hidróxido de calcio. Los análisis termo-gravimétricos realizados con el equipo

descrito en los numerales I.5.4. y Fotografías Nos. 18-20, así como los

resultados indicados en la Tabla XXI y Figuras 14-16 muestran una clara

evidencia de la reactividad química de las diez muestras de material volcánico

seleccionadas. Las micrografías obtenidas en el Microscopio Electrónico de

Barrido evidencian la presencia de productos de reacción, mostrando la

formación de CSH, sin embargo, escasamente se logran ver productos

cristalinos de reacción.

IV.1.8.La investigación de la geología evidenció una superficie potencialmente

explotable en Guatemala, según se muestra en la Tabla IV y la Figura 8, de

más de cinco mil kilómetros cuadrados de estos materiales volcánicos.

94

IV.1.9. La mayor parte de la superficie cubierta de estos materiales volcánicos se

ubica, según lo indicado en la Tabla IV y Figura 8, en la parte del altiplano

occidental, en la región suroccidental, en la parte central y en la región del

centro y sureste de Guatemala, principalmente, en cuanto a volumen en los

Departamentos de Quiché, Totonicapán, Sololá, Suchitepéquez,

Chimaltenango y Guatemala.

IV.1.10. Existen dos zonas muy diferenciadas de materiales volcánicos en Guatemala.

La primera de ellas, dentro de la cual se encuentran las pómez, está ubicado en

la línea que del occidente conduce al centro de la franja volcánica, casi

coincidente con la región de los altos volcanes de Guatemala, que va desde los

volcanes Tacaná y Tajumulco hasta el complejo Pacaya; a esa zona se une la

región que desde el valle de Guatemala se extiende hacia el oriente hasta el

valle del Motagua e incluye depósitos muy localizados que se ubican en Baja y

Alta Verapaz. La otra zona, contrariamente a la primera, tiene una forma

anular y se ubica en la zona de calderas muerta del suroriente de Guatemala,

caracterizada por materiales ígneos muy diferentes a la primera zona, donde las

pómez son muy escasas.

IV.1.11.Los valores de los análisis físicos, mineralógicos y químicos de las diez

muestras de materiales volcánicos seleccionados, mostraron satisfacer en todos

los casos, los mínimos establecidos por los requerimientos de la normativa

internacional adoptada. En todos los casos, sin embargo, es necesario el

procesamiento de molturación de los materiales.

IV.1.12. La evaluación física y química del hidróxido de calcio utilizado mostró

valores satisfactorios para su utilización en matrices con materiales volcánicos.

Los valores de pureza del hidróxido utilizado en los diferentes laboratorios no

fueron los mismos, sin embargo, los resultados obtenidos para determinar la

puzolanicidad de las muestras de materiales volcánicos, fueron

complementarios y en ningún caso contradictorios.

IV.1.13. En la evaluación de la actividad puzolánica mediante el desarrollo de la

resistencia mecánica a compresión de los materiales volcánicos seleccionados

en combinación con hidróxido de calcio, utilizando arena estándar y agua

desmineralizada en la evaluación de las matrices, en las condiciones de curado

que la normativa seleccionada indica, tanto para la edad de 7 días como para

28 días, los resultados indican valores más altos que los mínimos requeridos

por la misma norma. Los valores de resistencia a la compresión a 7 días de

edad se mantienen para 28 días, con muy pocas variaciones. Los valores bajos

de coeficiente de variación obtenidos en los análisis mecánicos en los

laboratorios establecen un trabajo muy confiable.

IV.1.14. La evaluación de la actividad puzolánica mediante el establecimiento del

desarrollo de la reacción química de la matriz formada por los materiales

volcánicos seleccionados y el hidróxido de calcio, indica un consumo muy

significativo de los iones calcio en la matriz, fundamentalmente en los

primeros tres días después de conformada la misma, lo cual es un claro

indicativo del elevado índice de reacción puzolánica temprana.

95

IV.2 RECOMENDACIONES

IV.2.1.Ya que la investigación realizada en este estudio abarcó las zonas occidental,

parte de la zona central y parte de la zona oriental, se recomienda evaluar la

actividad puzolánica de materiales volcánicos de la zona suroccidental y de la

parte central de Guatemala que no fue posible realizar en este trabajo. Se

considera importante también evaluar los materiales que se ubican en

Huehuetenango, El Quiché, Alta y Baja Verapaz.

IV.2.2. Aunque los análisis realizados en este estudio evidencian una reactividad

puzolánica en las muestras seleccionadas, se recomienda hacer un análisis

exhaustivo de las muestras a nivel microscópico, ya que ello podría explicar a

profundidad los fenómenos que se producen. Parece que el grado de

reactividad está muy asociado con la desintegración de la estructura de poro de

estos materiales, lo cual solo se puede comprobar utilizando el microscopio

electrónico de barrido como complemento de los análisis de termogravimetría

avanzada en análisis que tomen en cuenta esta observación.

IV.2.3. Ya que los materiales analizados muestran una buena reactividad, se

recomienda establecer formulaciones de aglomerantes para usos específicos,

además de la experimentación como adiciones en la elaboración de morteros y

concretos.

IV.2.4. Aunque las muestras analizadas presentan buenos resultados, se encontró que

las mismas necesariamente requieren algún grado de procesamiento. Para las

aplicaciones prácticas que se consideren, se recomienda establecer

previamente el proceso de producción con todos sus detalles.

IV.2.5. Los resultados de los análisis físicos, mineralógicos y químicos realizados en

las muestras de los materiales volcánicos seleccionadas indicaron que tales

materiales cumplen con los requisitos mínimos para ser considerados como

potencialmente reactivos. Posteriormente se comprobó esa potencialidad con

los resultados de las evaluaciones de la reactividad química a nivel macro y

micro (Gravimetría, Termogravimetría y Microscopio Electrónico de Barrido),

lo cual también se corroboró con los procedimientos mecánicos a nivel macro

(Resistencia a compresión de morteros en condiciones controladas de

temperatura y humedad). Sin embargo, aunque las micrografías muestran la

formación de productos de reacción amorfos (aparentemente CSH), tales

productos parece que no llegan a conformar productos de reacción cristalinos

que puedan generar comportamiento mecánico significativo en la práctica. Por

tal razón se considera muy importante y se recomienda investigar con mayor

profundidad este fenómeno.

96

IV.3 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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06StandardSpecification for Fly Ash and Other Pozzolans for use with Lime

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Testing Purposes. Annual Book of ASTM Standards. Vol. 4.02 Concrete and

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Cement by the 45 µm (No. 325) Sieve. Annual Book of ASTM Standards.

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Gypsum. PA, USA.

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Cement. Annual Book of ASTM Standards. Vol. 4.01 Cement; Lime;

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Masonry Purposes. Annual Book of ASTM Standards. Vol. 4.01 Cement;


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15.__________(2011). ASTM C25-06Test Methods for Chemical Analysis of

Limestone, Quicklime, and Hydrated Lime. Annual Book of ASTM

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Preparation, Packing, and Marking of Lime and Limestone Products. Annual

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Gall. Guatemala: Editorial José de Pineda Ibarra.

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IV.4 ANEXOS

Los anexos que se incluyen en archivos electrónicos por razones de espacio,

contienen la información que se describe a continuación.

IV.4.1. Informe del trabajo de graduación de la Inga. Olga Anabela Díaz Ponce

Presenta un estudio sobre la evolución de la industria del cemento, haciendo

énfasis en Latinoamérica.Olga Anabela Díaz Ponce.pdf

IV.4.2. Informe del trabajo de graduación del Ing. Víctor Rafael Rosales Rivas

Presenta de manera detallada todos los aspectos relacionados a la geología y a

la caracterización física de los materiales volcánicos del oriente de

Guatemala.Víctor Rafael Rosales Rivas.pdf

IV.4.3. Informe del trabajo de graduación del Ing. Luis Alfredo Ochoa

Marroquín

Presenta de manera detallada todos los aspectos relacionados a la geología y a

la caracterización física de los materiales volcánicos del occidente de

Guatemala.Luis Alfredo Ochoa Marroquín.pdf

IV.4.4. Informe del trabajo de graduación del Ing. Pablo José Bautista Gallardo

Presenta los detalles de todos los aspectos de la evaluación de la actividad

puzolánica de los materiales volcánicos por procedimientos mecánicos.Pablo

José Bautista Gallardo.pdf

TESIS%20Anabela%20Díaz.pdf

Tesis%20Final%20%20Victor%20Rosales.pdf

TESIS%20Luis%20Ochoa.pdf

TESIS%20Pablo%20Bautista.pdf

TESIS%20Pablo%20Bautista.pdf

105

PARTE V

V.1 INFORME FINANCIERO

FICHA DE EJECUCIÓN PRESUPUESTARIA

LINEA:FODECYT

Nombre del Proyecto:

"Determinación y evaluación experimental del índice de reactividad puzolánica de diez

bancos de materiales de la franja volcánica de Guatemala para la industria del

cemento"

Numero del Proyecto: 023-2010

Investigador Principal y/o Responsable

del Proyecto:

ING. FRANCISCO JAVIER QUIÑÓNEZ DE LA

CRUZ

Monto Autorizado: Q266,200.00

Orden de Inicio (y/o Fecha primer

pago): 01/02/2011

Plazo en meses 24 meses

Fecha de Inicio y Finalización: 01/02/2011 al 31/01/2013

Grupo Renglon Nombre del Gasto Asignacion

Presupuestaria

TRANSFERENCIA

Ejecutado Pendiente de

Ejecutar

Menos (-) Mas (+) OBS.

1 Servicios no personales

181 Estudios, investigaciones y

proyectos de factibilidad Q 155,000.00 Q 155,000.00 Q -

181

Estudios, investigaciones y

proyectos de factibilidad

(Evaluación Externa de

Impacto) Q 8,000.00

Q 8,000.00

122 Impresión,encuadernación y

reproducción Q 2,000.00 Q 735.00 Q 7,850.00 Q 196.90 Q 8,918.10

133 Viáticos en el interior Q 15,000.00 Q 15,000.00 Q -

141 Transporte de personas Q 1,620.00 Q 15,000.00 Q 13,336.15 Q 43.85

195 Impuestos, derechos y

tasas Q 4,520.00 Q 4,513.11

Q 6.89

199 Otros servicios no

personales Q 240.00 Q 500.00 Q 254.00

Q 6.00

2 MATERIALES Y

SUMINISTROS

223 Piedra, arcilla y arena Q 2,000.00 Q 1,500.00 Q 2,500.00 Q 2,970.00 Q 30.00

224 Pómez, cal y yeso Q 2,000.00 Q 1,900.00 Q 54.01 Q 45.99

229 Otros minerales Q 1,000.00 Q 1,000.00 Q -

241 Papel de escritorio Q 1,000.00 Q 400.00 Q 598.00 Q 2.00

243 Productos de papel o

cartón Q 100.00 Q 50.40

Q 49.60

244 Productos de artes

gráficas Q 250.00 Q 235.90

Q 14.10

245 Libros, revistas y

periódicos Q 2,000.00 Q 2,000.00

Q -

106

249 Otros productos de papel,

cartón e impresos Q 50.00 Q 29.90

Q 20.10

261 Elementos y compuestos

químicos Q 5,000.00 Q 4,300.00 Q 9,000.00 Q 9,688.00

Q 12.00

262 Combustibles y

Lubricantes Q 15,000.00 Q 10,650.00 Q 5,600.00 Q 9,930.03

Q 19.97

267 Tintes, pinturas y

colorantes Q 100.00 Q 44.20

Q 55.80

268 Productos plásticos,

nylon, vinil y pvc Q 250.00 Q 500.00 Q 201.75

Q 48.25

269 Otros productos

químicos y conexos Q 400.00 Q 362.99

Q 37.01

272 Productos de vidrio Q 2,000.00 Q 2,000.00 Q -

274 Cemento Q 1,000.00 Q 800.00 Q 177.34 Q 22.66

283 Productos de metal Q 1,000.00 Q 1,000.00 Q -

286 Herramientas menores Q 1,000.00 Q 375.00 Q 623.47 Q 1.53

289 Otros productos

metálicos Q 150.00 Q 148.12

Q 1.88

291 Útiles de oficina Q 100.00 Q 98.26 Q 1.74

293 Útiles educacionales y

culturales Q 150.00 Q 500.00 Q 325.26

Q 24.74

295

Útiles menores, médico-

quirúrgicos y de

laboratorio Q 1,000.00 Q 1,000.00

Q -

297 Útiles, accesorios y

materiales eléctricos Q 1,000.00 Q 300.00 Q 660.93

Q 39.07

299 Otros materiales y

suministros Q 2,000.00 Q 1,900.00 Q 82.19

Q 17.81

3

PROPIEDAD,

PLANTA, EQUIPO E

INTANGIBLES

323 Equipo médico-sanitario

y de laboratorio Q 25,000.00 Q 24,960.00

Q 40.00

GASTOS DE ADMÓN.

(10%) Q 24,200.00 Q 24,200.00

Q -

Q 266,200.00 Q 47,120.00 Q 47,120.00 Q 248,740.91 Q 17,459.09

MONTO

AUTORIZADO Q 266,200.00

(-) EJECUTADO Q 248,740.91

PENDIENTE DE

EJECUTAR Q 17,459.09

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