Proyecto
ID-LIME
Fabricación e idoneidad de cales hidráulicas naturales como aglomerante en construcción sostenible y restauración
definición y tipos
La cal
Los aglomerantes (cal, yeso o cemento) tienen una función ligante debido a sus propiedades adhesivas y cohesivas, capaz de unir entre ellos los granos de árido en una masa coherente (mortero). Esta función se alcanza por efecto de transformaciones químicas que originan nuevos compuestos y que dependen de la naturaleza del aglomerante (aéreo o hidráulico).
La cal es el aglomerante más empleado por el hombre a lo largo de la historia. En base a la materia prima utilizada y a las reacciones químicas que se originan en su masa, la cal puede ser de naturaleza aérea (endurece en contacto con el aire) o hidráulica (una parte endurece en contacto con el aire y otra parte fragua con el agua).
La cal aérea y la cal hidráulica
En función del tipo de transformaciones químicas que produce la cal al ligarse en una masa coherente como el mortero; se puede clasificar en dos tipos: la cal aérea y la cal hidráulica.
La cal aérea
Se produce a partir de la cocción (alrededor de 900 ºC) de rocas carbonatadas, es decir formadas por más del 90% de minerales carbonatados (e.j. calcita, calcita con bajo contenido en Mg, dolomita, otros), etapa del proceso de la cal llamada calcinación, que lleva a la formación de un óxido muy reactivo que es la cal viva.
Esta se transforma en hidróxido, llamado cal apagada (o hidratada) tras la adición de agua, etapa llamada apagado. La cal apagada, mezclada con el árido y con el agua, se transforma en el compuesto químico inicial (carbonato) tras reaccionar con el CO2 atmosférico, etapa llamada carbonatación. Como resultado de esta transformación química el mortero de cal se vuelve duro, más estable y menos soluble que en su forma no-carbonatada. Cada etapa del ciclo de la cal está condicionada por algunos factores que es importante controlar con el fin de obtener una cal de calidad.
La cal hidráulica
Se fabrican a partir de una materia prima normalmente calcárea, con contenido variable en arcillas. Este puede variar desde un máximo de 12% para la obtención de cales de hidraulicidad moderada, hasta un máximo de 25% para cales de hidraulicidad elevada, pasando por una hidraulicidad intermedia conferida por un contenido en arcillas entre un 12 y un 18%, para obtener una cal hidráulica natural.
La materia prima se calcina en un horno entre 950 y 1200 ºC, obteniendo así óxido cálcico (cal viva) y silicatos y aluminatos de calcio. A este producto calcinado se le añade una cantidad estequiométrica de agua (proceso exclusivamente industrial) para solamente hidratar el óxido cálcico, obteniendo así hidróxido cálcico (cal apagada) y silicatos (principalmente C2S, silicatos bi-cálcicos) y aluminatos de calcio. Estos últimos, mezclados con agua en el mortero reaccionan formando silicatos y aluminatos cálcicos hidratados, mientras que la cal apagada se carbonata al igual que en una cal aérea, para formar carbonato cálcico.
Los silicatos y aluminatos hidratados son los responsables del carácter hidráulico de los morteros elaborados con estas cales, que se caracterizan por manifestar resistencias mecánicas superiores a las de los morteros de cal aérea.
Normativa europea sobre
la cal para construcción
Según la normativa Europea EN 459:1 2015, las cales para construcción se definen como se detalla a continuación:
CL90
La cal aérea de composición calcítica (CL, del inglés “calcitic lime”), procedente de una caliza muy pura (CaO+MgO > 90%). También llamada coloquialmente cal grasa (MgO < 5%).
DL90
La cal magnesiana (DL, del inglés “dolomitic lime”), procedente de una caliza muy pura (CaO+MgO > 90%). También llamada coloquialmente cal magra (el contenido en MgO puede ser ≥ 30% o > 5%).
Estas dos cales pueden encontrarse en el mercado como cal viva (se indica con una –Q final, del inglés “quicklime”) o apagada (se indica con una –S, del inglés “slaked”).
NHL, cal hidráulica natural (del inglés “natural hydraulic lime”).
HL, cal hidráulica (del inglés “hydraulic lime”)
Estas últimas dos cales se encuentran en el mercado con los índices 2, 3,5 y 5, en función de las resistencias mecánicas mínimas (valor expresado en MPa) que deben alcanzar los morteros elaborados con estas cales y un árido normalizado después de 28 días de fraguado. Estos tres índices corresponden, respectivamente, a un carácter hidráulico moderado, intermedio y elevado. Al mismo tiempo, la norma europea establece el contenido mínimo de cal libre (expresada en Ca(OH)2) para estas tres cales de la siguiente manera: ≥35 % para NHL2, ≥25 % para NHL3.5, y ≥15 % para NHL5.
Sin embargo, en la normativa Europea no se contempla la influencia de variables como la composición químico-mineralógica de la materia prima ni las condiciones de calcinación y de apagado en la calidad de las NHL. Esto da lugar a la existencia de NHL en el mercado que, a pesar de tener un mismo índice (2, 3.5 o 5), presentan unas características composicionales, texturales y físicas diferentes
Objetivos del proyecto
El objetivo general de este proyecto es incrementar el conocimiento sobre la cal hidráulica natural, con el fin de promover su fabricación y su uso como material aglomerante sostenible en obras de nueva construcción y rehabilitación, así como en la restauración del patrimonio arquitectónico.
Para ello, se proponen los siguientes objetivos específicos
Idoneidad de la piedra
Investigar la idoneidad de diferentes tipos de piedra como materia prima para la producción de NHL.
Conocer la fabricación
Comprender el proceso de fabricación de NHL teniendo en cuenta los diferentes factores que influyen en las etapas de calcinación y apagado.
Calidad del NHL
Evaluar la calidad del NHL según criterios químico-mineralógicos y texturales.
Mejorar la normativa
Promover la mejora de las especificaciones y criterios de conformidad contenidos en la normativa europea sobre NHL.
Fases del proyecto
Metodología
Primera fase
La primera fase de este proyecto se centra en la simulación en laboratorio del proceso de fabricación de cales hidráulicas naturales, teniendo en cuenta los factores que influyen en las diferentes etapas de fabricación, como son: 1) características composicionales y texturales de las materias primas; 2) condiciones de calcinación (temperatura, duración y tiempo de permanencia en el horno); 3) condiciones de apagado (cantidad de agua y duración). Para una correcta interpretación de la influencia de estas variables en la calidad de la cal obtenida, se realiza un exhaustivo estudio químico-mineralógico y textural tanto de las materias primas utilizadas como de los productos de cada etapa de fabricación.
Paralelamente, en la primera fase del proyecto, se caracterizan las cales hidráulicas naturales existentes en el mercado europeo, con el fin de comparar sus características químico-mineralógicas y texturales con las de las NHL fabricadas en el laboratorio. Se estudian unos 15 tipos de cales comerciales (NHL2, NHL3.5 y NHL5), fabricadas en 5 plantas industriales diferentes.
Segunda fase
En la segunda fase del proyecto, se estudian los morteros elaborados con las NHL fabricadas en el laboratorio y se comparan con los elaborados con las NHL existentes en el mercado. Los morteros se preparan siguiendo la normativa europea, con una arena silícea normalizada CEN-NORMSAND y una relación cal-arena de 1:3 (en peso). Las propiedades de estos morteros se estudian en estado fresco y de endurecimiento, mediante técnicas químico-mineralógicas, texturales y físico-mecánicas.
Impacto científico, técnico y socioeconómico.
Gracias a la realización de este proyecto de investigación, se espera alcanzar los siguientes resultados
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Profundizar en el conocimiento del proceso de fabricación de la cal hidráulica natural y de los factores intrínsecos (materia prima) y extrínsecos (condiciones de calcinación y apagado) que afectan a sus propiedades químicas y físicas.
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Capacidad para discernir las posibles diferencias entre cales hidráulicas naturales pertenecientes a un mismo grupo (2, 3,5 y 5)
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Mejora de la normativa europea relativa a las especificaciones y criterios de conformidad de las cales hidráulicas naturales.
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Puesta en marcha de hornos de cal hidráulica natural a nivel local y/o nacional.
El carácter transversal de este proyecto se basa en su doble objetivo de promover el uso de la cal hidráulica natural como ligante hidráulico alternativo al cemento en obras de restauración, contribuyendo así a la salvaguarda del patrimonio arquitectónico, y al mismo tiempo fomentar la implantación de procesos industriales de menor impacto ambiental (en comparación con la industria cementera), promoviendo la fabricación de un material de construcción sostenible.
Este objetivo es posible gracias al enfoque multidisciplinar que busca investigar, a través de técnicas químicas, mineralógicas y físicas, nuevas tecnologías de fabricación en el sector de la construcción. Cabe destacar también el carácter inter-sectorial de este proyecto, que se plasmará en colaboraciones con asociaciones y empresas privadas, que se beneficiarán de los resultados del proyecto.
Este proyecto se enmarca dentro del reto 5 «Cambio climático y uso de recursos y materias primas» (del Plan Nacional de Investigación Científica y Técnica y de Innovación del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad de España). Gracias a este proyecto se ampliará el conocimiento sobre materiales de construcción y tecnologías de construcción sostenibles, un campo en el que queda mucho por investigar y desarrollar para conseguir una Europa sostenible y eficiente en el uso de los recursos, lo que supondría también un avance en innovación y emprendimiento y, al mismo tiempo, la difusión y consolidación de una nueva cultura de la sostenibilidad en la comunidad europea.
Esta acción implicará la reducción de las emisiones de CO2, uno de los objetivos más importantes propuestos por la Unión Europea para los próximos 25 años. Según la UE, «todos los sectores deben contribuir a la transición hacia una economía baja en carbono, en función de su potencial tecnológico y económico». Se estima que las emisiones residenciales pueden reducirse casi por completo (en torno al 90% en 2050) si se llevan a cabo diversas actuaciones en los edificios, entre ellas «la renovación de edificios antiguos para mejorar su eficiencia energética», que deberá realizarse con materiales sostenibles, eficientes y duraderos, como los morteros de cal hidráulica natural, frente a los morteros de cemento Portland.
Asimismo, cabe destacar la posible repercusión internacional de este proyecto, cuyos resultados podrían aprovecharse también en otros países que actualmente no disponen de plantas de fabricación de cal hidráulica natural.
La optimización del proceso de fabricación de cal hidráulica natural permitirá la existencia en el mercado europeo de NHL con características composicionales y texturales más controladas, que podrán ser clasificadas de forma más rigurosa. Por su enfoque multidisciplinar y grado de innovación, este proyecto propone una investigación novedosa pero absolutamente necesaria para el Patrimonio Arquitectónico, cuya conservación se ve frecuentemente quebrantada por el uso incorrecto de materiales de construcción no compatibles con los históricos. Esto tendrá una gran repercusión en el sector de la restauración de edificios históricos, ya que se dispondrá de morteros hidráulicos de restauración más adecuados y compatibles. Por lo tanto, los resultados de este proyecto también contribuirán a la conservación del Patrimonio Arquitectónico Europeo.
PARTICIPANTES
Equipo de Investigacion
Anna Arizzi (IP)
Profa. Contratada Dra. indefinida. Departamento de Mineralogía y Petrología, UGR
Giuseppe Cultrone
Catedrático de Universidad, Departamento de Mineralogía y Petrología UGR.
Carolina Cardell Fernández
Profesora titular, Departamento de Mineralogía y Petrología, UGR
María Lourdes Gutiérrez Carrillo
Profesora titular, Departamento de Construcciones Arquitectónicas, UGR.
María Gracia Bagur González
Catedrática de Universidad, Departamento de Química Analítica, UGR
Maja Urosevic
Dra en Ciencias de la Tierra, PTA en el Departamento de Mineralogía y Petrología, UGR.
Salvador Morales Ruano
Catedrático de Universidad, Departamento de Mineralogía y Petrología
Equipo de Trabajo
Clara Parra Fernández
Estudiante de doctorado, becaria FPI, Departamento de Mineralogía y Petrología, UGR
Laura Crespo López
Dra. en Ciencias de la Tierra, Contratada en CIC-UGR.
Publicaciones y actas de conferencias derivadas del proyecto ID-LIME
Estas son las publicaciones destacadas del año 2022
- Parra-Fernández C., Porta Igual J.A., Arizzi A., Morales Ruano S., Cultrone G.
- Porta Igual J.A., Arizzi A., Sebastián Pardo E.M. Historical and production study of the cement and hydraulic lime factory Nª Señora de los Dolores in Atarfe, Granada (Spain) Proceedings of Historic Mortars Cconference, HMC2022. Ljubljana, Slovenia, (2022).
- Galdó-Ceballos E., Gutiérrez-Carrillo M.L., Arizzi A. Atlas of lime kilns in the Spanish territory: settlement, constructive typology and production process of lime as a historic material Proceedings of Historic Mortars Cconference, HMC2022. Ljubljana, Slovenia, (2022).
- Arizzi A. Learning from Historic Mortars: Studies on Lime Manufacturing and Fresco conservation Ponencia invitada en 1st International Conference with workshop Science for Conservation of the Danube Limes, Belgrado (Serbia), 27 Junio-1 Julio 2022. Actas de Congreso “Science for Conservation of the Danube Limes” Ed. Korak M., Institute of Archaeology, pp. 88-90. ISBN: 978-86-6439-072-9 (2022).
- Arizzi A. Studying the durability of lime-based mortars: standardised, stochastic, and in-situ weathering tests RILEM proceedings of the workshop “Lime based materials for repairing historic Structures”, Thessaloniki, Grecia, (2022).
- Morales Ruano S., Arizzi A., Cultrone G., Parra Fernández C., Bagur González M.G Presentación de póster en XXXIX Reunión de la Sociedad Española de Mineralogía en Baeza (España). Macla, 26, pp. 132-133 (2022). ISBN: 2659-9864.
- Urosevic M., Jiménez-Desmond D., Arizzi, A., Pozo-Antonio JS., Moreno Prieto C., Vila Oblitas M. Analysis of pigments and mortars from the wall paintings of the Roman archaeological site of Las Dunas (San Pedro de Alcántara, Málaga S Spain) Journal of Archaeological Sciences: Reports, 52 (2023) 104280
- Parra-Fernández C., Arizzi A. The properties of natural hydraulic lime as a sustainable building material II Congreso Internacional sobre Innovación y Sostenibilidad en la Vivienda Social, ISVIS 2023, Granada (2023).
- Parra-Fernández C., Arizzi A. Optimización del proceso de fabricación de la cal hidráulica natural de cara a su uso en restauración del Patrimonio Arquitectónico I Jornadas de Investigadores Junior en Patrimonio (JIP 2023), Madrid. Book of Proceedings JIP2023, pp. 54-55 (2023).
- Parra-Fernández C., Arizzi A. An experimental study on the slaking process of natural hydraulic lime Accepted for presentation during SubLime Conference, Funchal, Madeira, Portugal (2024).
- Parra-Fernández C., Arizzi A., Secco M., Cultrone G. The manufacture of natural hydraulic limes: influence of raw materials’ composition, calcination and slaking in the crystal-chemical properties of binders Under review in Cement and Concrete Research (2024).