IMPORTANCIA DE LAS CENIZAS VOLANTES EN LA PRODUCCIÓN DE CONCRETO

Experto
GERMÁN ARBELÁEZ

Ingeniero Civil

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RESUMEN: 

Las cenizas han sido una de las adiciones cementantes más apetecidas por la industria del concreto a nivel mundial debido a que cumplen con parámetros fisicoquímicos que las hacen capaces de desarrollar propiedades aglomerantes cuando entran en la ecuación de hidratación del cemento Portland, favoreciendo el desempeño del concreto en términos de trabajabilidad, desarrollo de resistencia y durabilidad, entre otras, y adicionalmente generando beneficios económicos y ambientales de re-aprovechamiento del residuo más relevante que generan las termoeléctricas, en línea con los principios de economía circular.

El origen de la reactividad de las Cenizas Volantes 

Durante la reacción química de hidratación del cemento Portland se forman Silicatos y Aluminatos de Calcio Hidratados, conformando la estructura cristalina responsable de las propiedades mecánicas del concreto. El Hidróxido de Calcio (Ca[OH]2) libre que queda como subproducto (“Portlandita”), se combina con los compuestos que contienen Sílice y Alúmina presentes en las cenizas, formando nuevos Silicatos y Aluminatos de Calcio Hidratados que se integran a la estructura cristalina mencionada. 

Características de las Cenizas Volantes  

El uso de Cenizas como Materiales Cementantes Suplementarios (SCM) es viable si éstas cuentan con propiedades fisicoquímicas como las ya mencionadas, permitiéndoles ser partícipes de la reacción de hidratación del cemento Portland. El origen de su reactividad proviene de las siguientes características: 

  • Finura: para el desarrollo de su potencial cementante, es conveniente que procedan de la combustión de carbón pulverizado para que su granulometría se acerque su finura de activación, teniendo bastante similitud con la del cemento. Si se utilizan como agente de densificación, es deseable que sean aún más finas que el cemento para llenar vacíos microscópicos. Las normas NTC 3493 y ASTM C618 especifican un máximo de 34% retenido en la Malla de 45 micras (No. 325). 
  • Composición química: la reactividad del cemento proviene de la presencia de compuestos que contienen Calcio (Ca), Silicio (S), Aluminio (Al) y Hierro (Fe), entre otros que inciden favorable o desfavorablemente en las reacciones asociadas a la hidratación, el fraguado y el desarrollo de resistencia. Las cenizas desarrollan propiedades aglomerantes gracias al contenido relevante de estos elementos; según las normas NTC 3493 y ASTM C618, la sumatoria de SiO2, Al2O3 y Fe2O3 debe ser superior al 70% en las cenizas clase F (sílico-aluminosas), y superior al 50% en las Cenizas Clase C (sílico-calcáreas).  
  • Composición mineralógica. las cenizas deben contar con una alta proporción de minerales con estructura molecular amorfa ya que, al tener esta característica, se combinará con otros minerales para conformar una estructura cristalina estable. La alta temperatura de combustión del carbón que da origen a las cenizas les permite adoptar una mineralogía que favorece su reactividad.  

Para medir la reactividad de las cenizas, las normas NTC 3493 y ASTM C618 recomiendan determinar el índice de actividad el cual se establece mediante ensayos comparativos de resistencia a compresión, de un mortero normalizado de referencia con 100% cemento y uno con sustitución del 20% de ceniza. Este índice se considerará aceptable si la resistencia del mortero con ceniza es mayor o igual al 75% del mortero de referencia a 7 y 28 días. 

Por su reactividad, las cenizas tienen la capacidad de sustituir parcialmente la cantidad de cemento Portland previsto en un diseño de mezcla sin afectar negativamente el desarrollo de resistencia mecánica y optimizando otras propiedades como la manejabilidad, el desarrollo de calor de hidratación y los atributos que favorecen la durabilidad, entre otros. 

Limpieza: requisito indispensable para el uso de cenizas volantes como SCM 

En cenizas manejadas, transportadas, almacenadas y aisladas adecuadamente de la humedad, su principal contaminante es el carbón no quemado (inquemado) resultante de las ineficiencias inherentes al proceso de combustión. Para estimarlo, se lleva a cabo el ensayo de pérdida por ignición (PPI) según las normas NTC 184 y ASTM C114, cuando este es alto, se puede ver perjudicado su desempeño como SCM en el concreto. Dada la importancia de la limpieza de las cenizas en términos de baja PPI, las normas NTC 3493 y ASTM C618 especifican una de máximo 6%. Para cenizas tipo F, es aceptable hasta 12% si se demuestra un desempeño aceptable en concreto mediante ensayos de laboratorio.  

Las cenizas usadas en concreto en Colombia provienen de centrales termoeléctricas y calderas industriales; las más utilizadas cuentan con una PPI que oscila entre 5% y 12%. Algunas fuentes producen altos volúmenes de cenizas, pero su reaprovechamiento es inviable debido a los altos contenidos de carbón inquemado; esto ha mejorado debido a la optimización de procesos de combustión con la motivación de detener el vertimiento de cenizas en patios y/o rellenos destinados para tal fin, los cuales constituyen un pasivo ambiental con altos costos de mantenimiento y riesgo latente de derrames o inconvenientes con comunidades aledañas. 

Optimización de propiedades de las Cenizas Volantes 

Para viabilizar el uso de cenizas cuyas propiedades no cumplen los requisitos especificados es aconsejable someterlas a algunos métodos de procesamiento como los descritos a continuación: 

  • Reducción de tamaño: consiste en buscar un nivel de finura que permita alcanzar la mayor reactividad posible, el cual se logra mediante procesos de molienda donde se requieren inversiones iniciales considerables y alta demanda de energía. También es posible someter el material un proceso de clasificación para desechar las partículas más gruesas, con la necesidad de manejo de residuos que ello implica. El siguiente ejemplo muestra los beneficios obtenidos por el aumento de la finura de la ceniza molida: 
Figura 1. Incremento del índice de actividad por molienda de ceniza
  • Clasificación gravimétrica: se basa en una diferencia considerable (mayor al 15%) entre la densidad del carbón inquemado y la fracción mineral de ceniza. Es posible por vía seca usando separadores ciclónicos requiriendo altas inversiones iniciales, o por vía húmeda mediante procesos de flotación con altos costos de operación (consumo de agua, energía para secado). 
  • Clasificación por cribado: es una alternativa aplicable cuando por condiciones de granulometría bajo las cuales el carbón es quemado, exista una diferencia significativa entre el tamaño de las partículas del carbón inquemado y las partículas de la fracción mineral de la ceniza. 
  • Combustión del carbón (“CBO”): consiste en eliminar el carbón inquemado incinerándolo. Implica altos consumos de energía y emisión de gases contaminantes. 
  • Pasivación química del carbón: mediante el uso de agentes orgánicos que absorbe el carbón, se mitiga su efecto dañino en concreto con aire incluido. Al no mejorar las propiedades puzolánicas de la ceniza, el costo de los agentes debe ser justificado por los beneficios obtenidos, que se limitan a concretos con aire incluido únicamente. 
  • Separación triboelectrostática: se basa en el principio físico de adopción de carga eléctrica diferencial originada por transferencia de electrones cuando partículas chocan entre sí. El uso de separadores triboelectrostáticos mejora las propiedades de la ceniza concentrando la fracción mineral y permitiendo recuperar gran parte del carbón inquemado y realimentarlo al proceso de combustión de la termoeléctrica, eliminando el 100% los residuos generados.  
  • Activación alcalina o geopolimerización: proceso que interviene químicamente la ceniza mediante el uso de catalizadores como Silicato de Sodio (Na2SiO3), Hidróxido de Sodio (NaOH), Hidróxido de Potasio (KOH), Hidróxido de Calcio (Ca[OH]2), entre otros, aumentando la reactividad y el potencial de sustitución de cemento. El costo de los catalizadores y la implementación de procesos externos necesarios para su funcionamiento adecuado, implican una importante inversión económica; por tal motivo esta alternativa de transformación suele utilizarse únicamente en aplicaciones muy específicas. 
Figura 2. Optimización de ceniza: paso de una PPI alta y variable (rojo) a baja y uniforme (azul)
Foto 1. Ceniza con PPI=27% generada por una termoeléctrica; uso inviable por alto contenido de carbón inquemado. Ceniza con PPI=4% obtenida después de ser sometida a un proceso de separación; se viabiliza su uso como SCM . Ceniza con PPI>50% obtenida en la separación; por su alto contenido de carbón inquemado tiene poder calorífico para ser reutilizada como combustible.
Nota aclaratoria de responsabilidad: Las observaciones contenidas en este documento son de carácter informativo y deben ser aplicadas y/o evaluadas por el constructor o usuario solamente en caso de considerarlas pertinentes. Por lo tanto, estas observaciones no comprometen a Argos, a sus filiales o a sus subordinados.

CONCLUSIÓN

La optimización de las propiedades de las cenizas volantes permite potenciar los beneficios derivados de uso como SCM, los cuales pueden ser capturados por el generador o el usuario, agrupándose en beneficios asociados al desempeño del concreto como reología, densificación, resistencia residual, calor de hidratación y durabilidad; beneficios económicos debido al ahorro en costos del cementante, diseño de concretos especiales sin incremento de costos, menor demanda de clinker/energía si se usa como adición en el cemento, reducción o eliminación del costo de manejo de residuos, recuperación de combustible desperdiciado; y beneficios ambientales como el reaprovechamiento de residuos, eliminación de pasivos ambientales, reducción o eliminación de emisiones fugitivas y dispersas generadas en los sitios de disposición, y disminución de la huella de carbono por menor demanda de clinker/energía. 

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Acerca del autor

  • GERMÁN ARBELÁEZ

    Profesión: Ingeniero Civil
    País: Colombia

    Ingeniero Civil de la Universidad Javeriana con estudios de Postgrado en Colombia y U.S.A. en Gerencia de Proyectos y Administración de Negocios Internacionales. Tiene más de 25 años de experiencia en industrias de la construcción, el concreto y el cemento en Colombia, el Caribe, Europa y el Medio Oriente. Actualmente es socio y Gerente de Tecnología en Obra y Asociados, y socio y Gerente Técnico de ECORE Group, LLC. Conferencista y expositor frecuente en eventos internacionales. Ha sido profesor universitario y director de múltiples proyectos de investigación.

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