XXIII Congreso Nacional de Estudiantes de Ingeniería CivilConcurso de Ponencias EstudiantilesChiclayo, Perú. 2015

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Resumen:

Área:

Palabras Clave:

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

En los últimos años se ha incrementado la demanda en la construcción y por ende se ha incrementado la producción de ladrillos de arcilla, en la que las emisiones que produce ocasionan un fuerte impacto en el medio ambiente. Las fábricas de producción de ladrillos en su mayor parte se encuentran ubicadas en la zona costera del país. Por otro lado en esta misma zona costera se ubican las plantas cultivadoras de conchas de abanico para exportación; dichas plantas se ubican en las provincias de Santa, Casma, Sechura, Paita, Lambayeque, Lima, Pisco, Ica e Islay.

En este proyecto se propone elaborar un ladrillo de arcilla extruido con adiciones de conchas de abanico pulverizadas con el propósito de disminuir su temperatura de cocción, de esta manera ahorrar combustible y disminuir emisiones al ambiente. Asimismo, con la mejora de la densificación y aprovechando la ceniza rica en sílice que deja la quema del orgánico (glicoproteína) de la concha de abanico pulverizada mejorar su resistencia mecánica. Esta propuesta se puede introducir a mediano plazo en todas las ladrilleras peruanas con el fin de disminuir el costo de producción y mitigar el impacto ambiental que vienen ocasionando.

Los objetivos a los cuales apunta nuestra investigación son:

Determinar la influencia del porcentaje de adición de conchas de abanico pulverizadas sobre la densificación de ladrillos de arcilla.

Determinar la influencia del porcentaje de adición de conchas de abanico pulverizadas sobre la eficiencia energética en la fabricación de ladrillos, medido por la disminución por la temperatura de cocción.

Determinar la influencia del porcentaje de adición de conchas de abanico pulverizadas sobre la absorción de agua de ladrillos de arcilla.

Determinar la influencia del porcentaje de adición de conchas de abanico pulverizadas sobre la resistencia a la compresión de ladrillos de arcilla.

2. DESARROLLO

2.1 HIPOTESIS

En la medida que se incrementará el porcentaje de conchuela reciclada y la

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temperatura de cocción, aumentará la resistencia a la compresión así como la contracción volumétrica, por otro lado se disminuirá la absorción de agua en ladrillos extruidos a escala.

2.2 METODOLOGÍA

2.2.1 UNIVERSO MUESTRAL

Estuvo constituido por ladrillos adicionados, elaborados con una mezcla arcillosa (Ladrillera Forte S.A – Poroto) y conchuela reciclada: sustitución parcial de la mezcla arcillosa por distintos porcentajes de conchas de abanico molida.

2.2.2 MUESTRA

Estuvo constituida por 144 muestras cerámicas., morfológicamente definidos como un prisma rectangular, con medidas de 8 cm. x 4 cm. x 2 cm., a escala y proporcional según la Norma Técnica E. 070 Albañilería.

Fig. 1. Dimensiones de la muestra cerámica

2.2.3 DISEÑO DE CONTRASTACIÓN

Se aplicó el diseño Experimental, tipo Bifactorial, donde las variables en estudio se muestran en la Tabla 1 y la matriz de diseño se muestra en la Tabla 2 y Tabla 3.

Tabla 1. Niveles de las variables de estudioVariables de Estudio Niveles de Estudio

Variables de EstudioNiveles de

Estudio

Variables Independientes

Factor A: Porcentaje de conchuela reciclada (%)

0,1,3,5(a1, a2, a3)

Factor B: Temperatura de cocción (°C)

700, 800, 900 (b1,b2,b3)

Variables Dependientes

Factor X: Resistencia a la compresiónFactor Y: Densidad Global (g/cm3)Factor Z: Absorción de agua (%)Factor W: Contracción volumétrica (%)

Tabla 2. Diseño de la matriz experimental para la Resistencia a la compresión

(N/mm2) y contracción volumétrica (%)

Tabla 3. Diseño de la matriz experimental para la Densidad global (gr/cm3) y

Absorción de agua (%)

Se conformaron 96 probetas para los ensayos de resistencia a la compresión y contracción volumétrica, con 192 pruebas experimentales.

Por otro lado, se conformaron 48 probetas para el ensayo de Arquímedes: absorción y densidad, con 48 pruebas experimentales.Haciendo un total de 240 pruebas experimentales en toda la investigación.

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2.2.4 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En la figura 10 se muestra el diagrama de flujo del procedimiento experimental seguido, describiéndose cada una de sus etapas a continuación.

Fig. 2. Diagrama de Bloques del Procedimiento Experimental

a) Preparación de la Arcilla y Chamota (ladrillo cocido)La materia prima (arcilla) fueron proporcionadas de la Ladrillera FORTE ubicada en la provincia de Trujillo, distrito de Poroto – LA LIBERTAD, las cuales fueron reducidas de tamaño en un molino de bolas, con el fin de obtener una granulometría que pase la malla N°16 (1,18mm), y usando el método para la reducción de muestras de campo a tamaño de muestras de ensayo (ASTM C702), donde se realizó:

El análisis granulométrico con el fin de obtener el tamaño promedio de las partículas (ASTM D 422)

Porcentaje de humedad (ASTM D 2216)

Porcentaje de material orgánico (AASHTO t 267)

Límites de Atembert (ASTM D4318)

b) Preparación de la conchuela recicladaSe lavó con detergente y se enjuagó con agua potable.

Se realizó una activación térmica, llevando a las conchas de abanico hasta una temperatura de 500 °C, por 4 horas, en el horno mufla.

Finalmente, se realizó una activación mecánica, triturando y moliendo en un molido de bolas, hasta obtener un tamaño inferior de 150 µm (pase la malla N°100).

c) MezcladoSe mezclaron la arcilla con la chamota en una relación 9:1, en peso respectivamente, variando la dosificación de conchuela reciclada en: 0, 1, 3, 5%; y una adición del 25% de agua.

d) ExtrusiónSe amasó la mezcla con el fin de homogenizar todo, luego se introdujo poco a poco a la tolva de la extrusora, de velocidad de 9.05cm/seg, forzándola a salir por una boquilla sobredimensionada de sección rectangular de 4 x 2cm, seccionando dicho extruido a una longitud determinada de 8 cm en dirección transversal al flujo de pasta, obteniéndose así los ladrillos cerámicos en verde.Se utilizó vaselina liquida, como lubricante, para evitar la adhesión de la pasta con el husillo y el cilindro de extrusión y mejorar así la salida de la pasta; obteniéndose los distintos ladrillos cerámicos.

e) Codificación de probetasSe codificaron, los ladrillos cerámicas, en cuatro lotes: 0%, 1%, 3%, 5% de adición de conchuela reciclada; desde el número 1 hasta el 12, por cada lote.

f) Secado controladoLos ladrillos cerámicos extruidos, se secaron al ambiente durante tres días.

Se realizó un secado controlado de los ladrillos cerámicos en verde, en una Estufa de secado, a una temperatura de 50 ºC, durante 8 horas, y luego a una temperatura de 110 +/- 5 °C por 24 horas. Finalmente se retiró las probetas de la estufa, dejándolas enfriar por dos horas, para luego tomar las medidas iniciales de las probetas antes de ser metidas al horno tipo mufla.

g) CocciónLa cocción, de los ladrillos cerámicos, se realizó en un horno tipo mufla:

Se programó la temperatura del horno hasta 400 ºC, manteniéndolo por media hora a dicha temperatura; luego se elevó la temperatura hasta cocer el ladrillo: 700, 800

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y 900 ºC, manteniendo cada temperatura de cocción por 3 horas.

h) Enfriamiento

Una vez obtenidos los ladrillos cerámicos cocidos, se dejaron enfriar dentro del horno durante un día para evitar un enfriamiento rápido. Luego los ladrillos fueron sacados del horno dejándolos curar al medio ambiente durante 8 días.

i) Ensayos mecánicos y físicos

Se evaluó la contracción volumétrica por cocción de los ladrillos cerámicas según la norma ASTM D 427.Se realizó el ensayo de resistencia a la comprensión según la Norma Técnica Peruana 311.018, mediante una prensa de compresión del laboratorio de Materiales cerámico de la Universidad Nacional de TrujilloSe realizó el ensayo de Arquímedes: absorción y densidad, según el procedimiento de la Norma Internacional ASTM C373.

RESULTADOS

ENSAYOS MECÁNICOS Y FÍSICOS

1) ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

La Fig. 3, muestra la relación entre la resistencia media a la compresión de las muestras cerámicas extruidas a escala ensayados a tres temperaturas diferentes de cocción y con una finura de molido de conchas de abanico (<150μm) adicionado, para cada uno de los % de adición.

Tal y como se observa en la Fig. 3, a medida que aumentamos la temperatura de cocción la resistencia a la compresión aumenta, además a medida que aumentamos el porcentaje de aditivo hasta un 3%, para las temperaturas de 800°C y 900°C, presenta la máxima resistencia, por otro lado, experimentando una caída de la resistencia al 5% de adición. Caso contrario, a la temperatura de 700ºC donde la resistencia va aumentando a medida que aumentamos el porcentaje de aditivo.

Fig. 3. Resistencia Vs. % de aditivo (Finura <150μm en 3 horas)

Fuente: Máquina de ensayo de compresión para materiales cerámicos, marca ELE

International ADR 2000 BS.

Dicho aumento de la resistencia, a la temperatura de 800ºC y 900ºC hasta un 3% de aditivo, es debido a una combinación química más completa, del carbonato de calcio (biomineral) con la arcilla, formando una fase liquida de baja viscosidad (Sinterización en fase liquida), en los puntos de contactos de los granos adyacentes, que ayudara a un buen reordenamiento y/o acomodo de las partículas disminuyendo la cantidad de porosidades; además, en la sinterización, se produce difusión atómica entre las superficies de contacto de las partículas, lo que provoca que resulten químicamente unidas. Además la combinación química del carbonato de calcio (biomineral) con la arcilla, producirá compuestos cementicios tales como los aluminatos cálcicos (CA, C12A7), C2F y silicatos bicálcicos (C2S – belita); donde dichos productos, sobre todo los silicatos bicálcicos, mejoran su resistencia a través del tiempo.Estas reacciones también se pueden observar en el proceso de densificación (Fig. 5) donde se observa que hay mayor densificación con la presencia de carbonato de calcio (bioinorgànico). Por otro lado las fuerzas compresivas son más notorias a estas temperaturas (Fig. 8).A las temperaturas ya mencionadas, las resistencias disminuyen para valores mayores con un 3% de aditivo hasta un 5%, aparentemente por los cambios en la porosidad que produce la presencia e hidratación del óxido de calcio y el proceso de vitrificación. A la temperatura de 700ºC el comportamiento de la resistencia es proporcional al porcentaje de aditivo usado debido a pequeñas presencias de CaO

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(0,7%) producto del inicio de la transformación del carbonato de calcio, dicha transformación empieza a los 705ºC y termina a temperaturas cercanas 900ºC (en media hora).Este CaO reacciona con la arcilla (Al4(OH)8Si4O10) formando pequeñas cantidades de compuestos cementicios ya mencionados, los cuales fueron aumentando con la temperatura. Por otro lado las bajas resistencias, a esta temperatura, se debe a las fuerzas tensional presentes aun a 700ºC, además, estas fuerzas irán desapareciendo dando lugar a las fuerzas compresivas a partir de 780ºC como se observa en la Fig. 8.Estos datos coinciden con el siguiente antecedente: (Betancourt, Díaz & Martirena, 2013). quien concluyo que con una adición del 2% de carbonato de calcio (mineral) y una temperatura de 900ºC se obtuvo una mejor resistencia a la compresión, 22 MPa.

2) Densidad Global

En la Fig. 4, se observa que para las tres temperaturas de cocción, los valores más altos de densidad se obtienen al 3% de adición y se experimenta una caída de la densidad al 5% de adición.

Fig. 4. Densidad global Vs. % de aditivo (Finura < 150μm en tres horas)

Cuando el porcentaje de conchas de abanico aumenta de un 3% hasta un 5%, la resistencia a compresión decrece para todas las muestras ensayadas. Algo similar ocurre en el caso de la densidad (Fig. 4); pudiendo observar que los resultados de los ensayos de densidad que se muestran, son consistentes con los de la resistencia a la compresión en otras palabras son directamente proporcionales.El aumento de densidad a las temperaturas de 800ºC y 900ºC es debido al proceso ya

mencionado, de sinterización, en arcillas por aglomeración y/o difusión sólida. Además el aumento de la densidad, conforme aumentamos la temperatura, hasta un 3% de aditivo es debido también a la mayor formación de compuestos cementicios compactos, producto de las reacciones de la arcilla (metacaolin) con el CaO, disminuyendo el porcentaje de cal residual.

Fig. 5. Densificación Vs temperatura para cuatro tipo de mezclas cocidas a 900 °C

adicionando conchuelas recicladas (tamaño < 150 um y calcinada a 500 °C)

Fuente: L75HX Horizontal Dilatometer

Además, podemos observar también en la Fig. 5, que la densificación aumenta conforme aumenta el porcentaje de aditivo, aparentemente la acción fundente el carbonato de calcio (biomineral) reduce la temperatura de sinterización influyendo en la formación de mayor cantidad de fases vítreas; la formación de dicho material vidriado, en la superficie de las partículas, actuara como un lubricante ayudando a un buen reacomodo de las partículas, además que ocupara el espacio de los pequeños poros, aumentando así la densificación. (Betancourt, Martirena, Day & Diaz, 2007).Además, la presencia de CaO libre también lo podemos observar al comparar la Fig. 5, donde se obtuvo una buena densificación, sin ningún tiempo de curado, al 5% de aditivo; con la Fig. 4, donde la densidad disminuye, a 7 días de curado, con un 5% de aditivo. Dando a entender que la densidad disminuye, en las temperaturas de 800ºC y 900ºC, para porcentajes mayores al 3% de aditivo, debido a la presencia de cal residual (CaO) que reacciona con la humedad del medio ambiente formando Ca(OH)2, generando presiones internas y/o aumento de volumen. Estos datos coinciden con el siguiente antecedente: (Díaz, 2011), quien concluyo

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que los ladrillos sustituidos con el 2% de carbonato de calcio (biomineral) y a una temperatura de cocción de 900ºC, presentan una Densidad de 1,98 g/cm3, siendo mayor a la densidad de las probetas sin adición, 1,8 g/cm3.

3) Absorción de AguaLa figura 14, nos muestra una considerable disminución de la absorción del agua conforme aumentamos la temperatura de cocción. Además, se aprecia, que la absorción del agua aumenta a medida que aumentamos el porcentaje de aditivo hasta un 3%; a porcentajes, de aditivos, mayores al 3% la absorción ira aumentando para las temperaturas de 800ºC y 900ºC.

Fig. 6. Absorción Vs. % de aditivo (Finura < 150μm en tres horas)

La disminución de la absorción a las temperaturas de 800ºC y 900ºC, es debido principalmente al proceso de sinterización en arcillas, disminuyendo el porcentaje de poros cuando hay aglomeración de la fase sólida. La disminución de la absorción, a dichas temperaturas, que se presenta usando el 3% de aditivo, es debido a la mayor formación de material vítreo producido por la acción fundente del carbonato de calcio con la arcilla, la cual permite un mayor cierre entre sus poros al 3% de adición de conchuela reciclada. El aumento de la absorción en porcentajes mayores al 3% de aditivo, es debido a la presencia de material sin combinar (cal residual) que es un compuesto higroscópico (atrae agua), los cuales son consistentes con la densidad (Fig. 4) por la formación del Ca(OH)2 que además al generar pequeñas presiones parciales, en el interior del ladrillo, provocara el aumento de los poros.La disminución de la absorción, a la temperatura de 700ºC, es debido a pequeñas presencias de porosidades, producto del inicio de la descarbonatación,

dichas porosidades se crearan por la pérdida de volumen que sufre la transformación del carbonato de calcio, biomineral, (CaCO3 + Calor CaO + CO2); permitiendo mejores flujos del calor consiguiendo una mejor cocción y unión de partículas sin la presencia del fenómeno de sinterización.Estos datos coinciden con el siguiente antecedente: (Díaz, 2011), quien concluyo que los ladrillos sustituidos con el 2% de carbonato de calcio (biomineral) y a una temperatura de cocción de 900ºC, presentan una absorción de 11,8% siendo menor a la absorción de las probetas sin adición, 14%.

4) Contracción VolumétricaEn la fig. 7, se observa que para las tres temperaturas de cocción, la contracción aumenta con respecto al porcentaje de aditivo hasta un 3%, para un 5% en peso de aditivo la dilatación aumenta a excepción en 700ºC donde solo disminuye.

Fig. 7. Contracción Vs. % de aditivo (Finura < 150μm en tres horas)

En la fig. 7, se observa que en las temperaturas de 800ºC y 900ºC, la contracción aumento, con respecto a las probetas patrón, hasta una adición con el 3% de aditivo por la mayor formación de fases vítreas producto de la acción fundente del carbonato de calcio con la arcilla, habiendo mayor aglomeración sólida y disminuyendo la porosidad; pudiéndose observar el mismo efecto en la Fig. 5. Luego a porcentajes mayores al 3% de aditivo la contracción disminuirá, favoreciendo la dilatación, esto se genera por la presencia de Ca(OH)2 la cual es proporcional a la temperatura de cocción.

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Fig. 8. Dilatación lineal Vs temperatura para cuatro tipo de mezclas cocidas a 900 °C

adicionando conchuelas recicladas (tamaño < 150 µm y calcinada a 500 °C)

Fuente: L75HX Horizontal Dilatometer

En la Fig. 8, también se puede observar que, a las temperaturas de 800ºC y 900ºC, que la contracción aumenta a medida que aumentamos el porcentaje de aditivo, además de la presencia de fuerzas compresivas que van aumentando a medida que disminuye las vibraciones de las partículas, a dichas temperaturas. El efecto negativo de la presencia de Ca(OH)2, en porcentajes de aditivo mayores al 3%, también lo podemos ver al relacionar la Fig. 8; donde la dilatación disminuye sin ningún tiempo de curado; con la fig. 7; donde la dilatación aumenta con 7 días de curado.Además, en la Fig. 7, se observa que a la temperatura de 700ºC el comportamiento de la contracción es proporcional al porcentaje de aditivo usado debido a pequeños productos de CaO (descarbonatación), que traen consigo la aparición de pequeñas porosidades, haciendo el flujo del calor más uniforme en todo el ladrillos, y a la vez se provocara el cierre de dichos poros por acción del calor provocando la contracción del ladrillo. Este efecto también lo observamos en la Fig. 8; donde, a dicha temperatura, la dilatación será menor conforme se aumenta el porcentaje de aditivo, a pesar de encontrarse en estados tensionales producto de las vibraciones de la partículas.Estos datos coinciden con el siguiente antecedente: (Díaz, 2011), quien concluyo que los ladrillos sustituidos con 2% de carbonato de calcio (biomineral) presentan mayor contracción volumétrica media (18.29%) que las probetas sin adición (16.03%), aunque dichos datos, de contracción volumétrica, fueron tomados en los ladrillos en verde (sin cocción), a cinco días de secado a temperatura ambiente.

5) Simulación Virtual (SAP 2000)En la Fig. 9, podemos observar en la línea de color azul representa a un muro de ladrillo convencional con una resistencia aproximada de 14 MPa según la norma E070 de albañilería, mientras que la línea anaranjada representa a un muro de ecoladrillo con una resistencia aproximada de 20 MPa con un 5% de RDCA cocido a una temperatura de 900°C.

Fig. 9. Carga Vs. Deformación para resistencias de 14MPa y 20MPa utilizando

el programa SAP 2000.

En la Fig. 9, observamos también que para una misma carga aplicada sobre el muro tiene una mayor deformación el que fue hecho con ladrillo convencional mientras que para el de ecoladrillo su deformación es mucho menor. De la misma manera necesitaremos una mayor carga aplicada en un muro de ecoladrillo para llegar a la misma de formación que un muro de ladrillo convencional

3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

3.1 CONCLUSIONES En base a los resultados experimentales y análisis estadísticos obtenidos de las pruebas estandarizadas realizadas en esta investigación, se pueden extraer las siguientes conclusiones: El porcentaje más adecuado para

reemplazar carbonato de calcio (conchuela reciclada) en la mezcla arcillosa es al 3%, obteniéndose mejores propiedades mecánicas y físicas.

La temperatura de cocción adecuada, para nuestro ladrillo, es la de 900ºC, obteniéndose mejores propiedades mecánicas y físicas.

El porcentaje máximo de carbonato de calcio (conchuela reciclada) necesario para obtener una mejor resistencia a la

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compresión, en un ladrillo, sería el 3%, pues a este porcentaje y a una temperatura de 900ºC se obtuvo una óptima cantidad de fase vítrea y una mayor formación de silicato bicálcico (C2S) y C12A7, con una resistencia promedio de 20.005 MPa a 7 días de curado.

En el caso de la Densidad y absorción, el porcentaje que minimizo la cantidad de cal libre, evitando y/o disminuyendo la formación de porosidad fue con la adición del 3% de carbonato de calcio (conchuela reciclada), obteniendo un valor máximo de densidad de 1,743% y un valor mínimo de absorción del 17,172%, a una temperatura de 900ºC.

El porcentaje de conchuela reciclada y temperatura de cocción aplicada a nuestros ladrillos en estudio influyen significativamente con la mejora de las propiedades mecánicas y físicas, ensayadas, tal y como se apoya con la NAVA y prueba F.

Mediante la simulación en el programa SAP 2000 concluimos que los muros hechos con ecoladrillos con un 5% de RDCA cocidos a una temperatura de 900°C tienen mucho mayor resistencia (aprox. 20 MPa) que un muro hecho con ladrillos convencionales industriales (aprox. 14 MPa) todo esto de acuerdo con la norma E070 de albañilería

3.2 RECOMENDACIONES En base a la información obtenida en el presente trabajo de investigación y a la consulta del material bibliográfico, se proponen las siguientes recomendaciones para posteriores trabajos de investigación.

Complementar esta investigación realizando estudios a temperaturas de cocción, de 1000ºC y 1100ºC, mayores a 900ºC.

Realizar un estudio sobre la influencia del carbonato de calcio calcinado entre temperaturas de 700 y 1000ºC sobre las propiedades mecánicas y físicas de ladrillos cerámicos extruidos.

Realizar un control de las propiedades mecánicas y físicas de ladrillos cerámicos extruidos, a diferentes tiempos de curado al medio ambiente.

Realizar un estudio sobre la influencia del tipo de curado como: inmersión en agua fría, adición de cloruro sódico y adición de coque pulverizado; sobre la

reactividad de la cal libre en ladrillos cerámicos extruidos.

Realizar investigaciones comparativas usando cenizas volátiles adicionadas a la mezcla arcillosa en la fabricación de ladrillos cerámicos extruidos.

Realizar un estudio sobre la influencia de la parte orgánica de las conchas de abanico, sin ningún lavado químico y sin calcinar, sobre las propiedades mecánicas y físicas de ladrillos cerámicos extruidos.

4. AGRADECIMIENTOS

A nuestro asesor Dr. Hernán Martín Alvarado Quintana, y a los ingenieros Juan Pablo Bocanegra Mendoza y Marvin Jesús Castillo Minchola por su importante apoyo en la realización de esta investigación.

5. REFERENCIAS

1. Betancourt, D., Díaz, Y., & Martirena, F. (2013). Influencia de la adición de un 2% de carbonato de calcio en el proceso de fabricación de los ladrillos de cerámica roja: etapas de secado y cocción. Revista Ingeniería de Construcción, 28(2), 113-124.

2. Betancourt, D., Martirena, F., Day, R., & Diaz, Y. (2007). Influencia de la adición de carbonato de calcio en la eficiencia energética de la producción de ladrillos de cerámica roja. Revista Ingeniería de Construcción, 22(3), 187-196.

3. Díaz Cárdenas, Y. (2011). Evaluación del uso del Carbonato de Calcio como aditivo fundente en la producción de ladrillos de cerámica roja. Investigación y Desarrollo. Tesis Doctoral.

4. Julián Benites, C., Manrique Cornelio, C., Lizarzaburu Montero, L., Hermoza Conde, M., Campos Staub, L., & Zegarra Iglesias, L. (2011). Sustitución parcial del cemento por residuos calcáreos de conchas de abanico en mezclas de concreto. Conocimiento para el desarrollo (Revista oficial de la Universidad San Pedro)(2), 1-8.

5. Martirena, F., Day, R., Betancourt, D., & Diaz, Y. (2006). Improvement Of Engineering Properties And Energy Efficiency Of Fired Clay

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Bricks Through The Addition Of Calcite. Canadá.

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