las mezclas de concreto hidrÁulico con aditivos …
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LAS MEZCLAS DE CONCRETO HIDRÁULICO CON ADITIVOS INCLUSORES
DE AIRE “CENIZAS VOLANTES”
OSCAR ADOLFO ROA PARRA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA TOPOGRÁFICA
BOGOTA. D.C., 2016
LAS MEZCLAS DE CONCRETO HIDRÁULICO CON ADITIVOS INCLUSORES
DE AIRE “CENIZAS VOLANTES”
OSCAR ADOLFO ROA PARRA
Trabajo presentado como requisito para optar
Al título de Ingeniero Topográfico
Director del Proyecto:
Humberto Valbuena
Ingeniero Civil
Especialista en Geotécnia de Vías
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA TOPOGRÁFICA
BOGOTA. D.C., 2016
Nota de aceptación
______________________________________
______________________________________
______________________________________
______________________________________
Presidente del Jurado
______________________________________ Jurado
______________________________________ Jurado
Bogotá D.C., Diciembre de 2016.
Dedicatoria
En este espacio se puede escribir a quien o quienes se dedica el presente trabajo de grado.
Agradecimientos
En este espacio se puede escribir a quien o quienes se agradece por su aporte en la
elaboración del presente trabajo de grado.
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN 12
ABSTRACT 13
INTRODUCCIÓN 14
1. OBJETIVOS 16
1.1. OBJETIVO GENERAL 16
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 16
2. MARCO HISTORICO 17
2.1. LAS PUZOLANAS EN LA ERA MODERNA 20
3. MARCO TEORICO 24
3.1. CONCRETO 24
3.1.1. Características y propiedades del concreto 26 3.1.2. Compuestos del concreto 29 3.1.2.1. El cemento 29 3.1.2.1.1. Materiales cementantes 32 3.1.2.2. El agua 35 3.1.2.3. Agregados 37 3.1.2.3.1. Granulometría 38 3.1.2.4. Aditivos 39 3.1.2.4.1. Aditivos químicos 42 3.1.2.4.2. Aditivos superfluidificantes 44
4. CENIZAS VOLANTES 46
4.1. ORIGEN DE LAS CENIZAS VOLANTES 46
4.2. CLASIFICACIÓN DE LAS CENIZAS VOLANTES 50 4.2.1. Cenizas volantes clase f 50 4.2.2. Cenizas volantes clase c 50
4.3. PROPIEDADES DE LAS CENIZAS VOLANTES 51
4.3.1. Propiedades físicas 51 4.3.2. Propiedades químicas y mineralógicas 54 4.3.3. Humedad 57 4.3.4. Pérdidas por calcinación en las cenizas volantes 57
5. USO Y VENTAJAS DE LA CENIZA VOLANTE 59
5.1. ANTECEDENTES 59
5.2. VENTAJAS DE LA CENIZA VOLANTE 60
5.2.1. Las ventajas de las cenizas volantes en el concreto 62 5.2.1.1. Resiste la corrosión 63 5.2.1.2. Corrosión del acero de refuerzo 63 5.2.1.3. Requerimientos de agua 64 5.2.1.4. Mejoras de la trabajabilidad 64 5.2.1.5. Segregación y sangrado 65 5.2.1.6. Calor de hidratación 66 5.2.1.7. Exudación y fraguado 67 5.2.1.8. Proporcionamiento 68 5.2.1.9. Resistencia 68 5.2.1.10. Resistencia al ataque químico 69 5.2.1.11. Permeabilidad y absorción 70 5.2.1.12. Asentamiento, contenido de aire y dosificación de las mezclas 70 5.2.1.13. Curado 71 5.2.1.14. Durabilidad en el ambiente marino 71 5.2.1.15. Control de la expansión debido a la reacción álcali–agregado ars 72 5.2.1.16. Resistencia a la penetración del ión cloruro 72 5.2.1.17. Resistencia a descongelamiento por incrustaciones de sal 73 5.2.1.18. Resistencia a ciclos de congelamiento y descongelamiento 73 5.2.1.19. Menores hinchamientos y contracciones 74
6. MARCO NORMATIVO 76
6.1. NORMAS COLOMBIANAS 76
6.2. NORMAS DE ESTADOS UNIDOS 78
6.3. NORMAS DE ESPAÑA 79
6.4. NORMAS DE PERÚ 80
6.5. URUGUAY 81
6.6. MÉXICO 81
7. INVESTIGACIONES Y TESIS REALIZADAS 83
7.1. INVESTIGACIÓN 1. Utilización de desechos del carbón: construir a partir de las cenizas 83
7.1.1. Daños al ecosistema 84 7.1.2. Una alternativa 85
7.2. INVESTIGACIÓN 2. Permeabilidad y durabilidad de concretos con cemento puro y adicionado, curados en condiciones de campo y de laboratorio. 87
7.2.1. Resumen 87 7.2.2. Resultados 88
7.3. INVESTIGACIÓN 4. Desempeño y correlación de las propiedades del concreto con adición de ceniza volante. 89
7.3.1. Resumen 89 7.3.2. Resultados 90
7.4. INVESTIGACIÓN 6. Hormigones alcalinos exentos de cemento portland 91
7.4.1. Resumen 91 7.4.2. Resultados 91
7.5. INVESTIGACIÓN 7. Propiedades de lechadas de cemento fabricadas con cementos de tipo i y mezclas con cenizas volantes (cv) y humo de sílice (hs) 92
7.5.1. Resumen 92 7.5.2. Resultados 93
7.6. INVESTIGACIÓN 8. Evolución de las resistencias mecánicas de sistemas ternarios cemento/ceniza volante/ceniza de lodo de depuradora: efectos puzolánicos complementarios. 94
7.6.1. Resumen 94 7.6.2. Resultados 95
7.7. INVESTIGACIÓN 9. Pautas para usar las cenizas volantes hidratadas como base flexible 96
7.7.1. Resumen 96 7.7.2. Investigación 97 7.7.3. Resultados 98
7.8. TESIS 1. Comportamiento de tuberías de concreto frente a la acción del ácido sulfúrico 100
7.8.1. Resumen 101 7.8.2. Conclusiones 101
7.9. TESIS 2. Valoración de la permeabilidad al agua en concretos con diferentes características 102
7.9.1. Resumen 102 7.9.2. Conclusiones 103
7.10. TESIS 3. Efecto de diferentes reemplazos de cemento por ceniza volante de termo Paipa sobre resistencia a compresión del concreto 104
7.10.1. Resumen 105 7.10.2. Conclusiones 105
7.11. TESIS 4. Determinación del porcentaje óptimo de reemplazo de cemento por ceniza volante (termopaipa) en hormigón de alta resistencia 106
7.11.1. Resumen 106 7.11.2. Conclusiones 108 7.11.2.1. Ensayos a compresión 108 7.11.2.2. Ensayos a flexión 110 7.11.3. Correlaciones entre resistencia a compresión y resistencia a flexión 111
7.12. INVESTIGACION REALIZADA POR EL CANMET EN CANADA 113
7.12.1. Aplicaciones del concreto con alto volumen de ceniza volante 113 7.12.2. Conclusiones 114
7.13. ANALISIS DE LAS INVESTIGACIONES 116
CONCLUSIONES 118
BIBLIOGRAFIA 123
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Basílica de Constantino ................................................................................................ 18
Figura 2 Proporciones de materiales usadas en concreto ......................................................... 31
Figura 3 Materiales cementantes. ............................................................................................. 33
Figura 4 Proceso de Obtención de la Ceniza Volante ................................................................ 47
Figura 5 Esquema de la Producción de las Cenizas Volantes y Escorias ..................................... 48
Figura 6 Clase, estado y uso del carbón ..................................................................................... 49
Figura 7 Grafica De Comparación por Porcentajes de Reemplazo. .......................................... 108
Figura 8 Grafica De Comparación por Porcentajes de Reemplazo. Resistencia Flexión vs.
Edades. ...................................................................................................................... 110
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Datos históricos del concreto ................................................................................. 19
Tabla 2 Características y propiedades del concreto ........................................................... 27
Tabla 3. Tipos de cemento de acuerdo a la norma UNE EN 197-1 ...................................... 30
Tabla 4 Tipos y subtipos de cemento Portland designados por la ASTM C 150 ................. 30
Tabla 5 Propiedades físicas principales de las cenizas volantes ......................................... 51
Tabla 6 Composición típica de las cenizas volantes ............................................................ 54
Tabla 7 Análisis mineralógico de las formas en que están presentes los materiales ......... 55
Tabla 8 Limitaciones Químicas para las Cenizas Volantes según la norma NTC 3493 (ASTM
C-618)................................................................................................................... 56
Tabla 9 Contenido de Carbón de las Cenizas Volantes ...................................................... 58
Tabla 10 Normas ICONTEC .................................................................................................. 76
Tabla 11 Normas ASTM ....................................................................................................... 78
Tabla 12 Normas AASHTO ................................................................................................... 79
Tabla 13 Normas ACI ........................................................................................................... 79
Tabla 14 Normas UNE ......................................................................................................... 80
Tabla 15 Normas NTP de INDECOPI .................................................................................... 81
Tabla 16 Normas UNIT ........................................................................................................ 81
Tabla 17 Normas NMX de ONNCCE .................................................................................... 82
Tabla 18 Comparación de Resistencias a Compresión con respecto a Mezcla Patrón. .... 109
Tabla 19 Comparación de Resistencias a Flexión con respecto a Mezcla Patrón ............. 111
Tabla 20 Comparación de Módulo de Rotura / Resistencias a Compresión (MR/f´c). ..... 112
12
RESUMEN
El presente trabajo gira en torno a determinar el uso de las cenizas volantes como
residuo de la combustión del carbón, determinando su aplicabilidad como aditivo
para el concreto hidráulico, se busca determinar la calidad del producto final y las
ventajas frente al concreto sin el aditivo, así como los numerosos beneficios que
ofrece, contribuyendo a su aprovechamiento y mitigando el impacto ambiental que
produce como residuo contaminante del proceso industrial.
Los conocimientos y la experiencia profesional de las Ingenierías constituyen una
base excelente para llevar acabo, con eficacia, acciones de esta línea. En el
desarrollo de los temas se tiene como principio básico buscar los procesos más
acordes con nuestra condición de país en desarrollo tomando como base estudios
realizados en otros países de forma exitosa, basados en normas nacionales y
tomando como referencia normas internacionales.
Se espera que con estas bases, todo profesional del área y carreras afines
puedan aprovechar la valiosa información de una manera clara y precisa; ya que
dentro del ejercicio de su vida profesional se tendrá un amplio contacto con este
material, debido a que su uso se ejecuta dentro del campo de la construcción.
13
ABSTRACT
The present work revolves around determining the use of fly ash as a residue of
coal combustion, determining its applicability as an additive for hydraulic concrete.
it seeks to establish the quality of the final product and its advantages over
concrete without the additive, As well as the numerous benefits it offers. In this
way the the environmental impact that it produces as a pollutant residue of the
industrial process is mitigated.
The knowledge and professional experience of the Engineering establish an
excellent basis to carry out, effectively, actions of this line. In the development of
the topics we have as a basic principle to look for the processes the most suitable
processes for our status as a developing country taking into account succesful
studies conducted in other countries, based on national standards and taking as
reference international standards.
It is hoped that with these bases, all area professionals and related careers can
take advantage of the valuable information in a clear and precise way; Since within
the practice of their professional life, they will have a broad contact with this
material, because it is used in the field of construction.
14
INTRODUCCIÓN
Representa una preocupación, la ausencia de información y del manejo adecuado
de las Cenizas Volantes como el producto sólido en el estado de fina división
procedente de la combustión del carbón pulverizado en las centrales
termoeléctricas y que es arrastrado por los gases del proceso y recuperado de los
mismos en los filtros.
La combustión del carbón para generar energía eléctrica produce
fundamentalmente dos tipos de residuos sólidos: Las cenizas volantes, obtenidas
por precipitación electrostática o mecánica del polvo suspendido en los gases de
la combustión y las cenizas de hogar o escoria, que caen al fondo por gravedad y
que se diferencian de las primeras principalmente por el tamaño de partícula. La
producción de cenizas volantes supera a las cenizas de hogar alcanzando valores
de hasta un 80% del total de cenizas generadas en una central.
Al enfocarse en el impacto que genera este residuo se puede decir que las
cenizas volantes se han considerado tradicionalmente como un subproducto que
se ha ido llevando a vertederos en las cercanías de las centrales eléctricas. Dado
el carácter pulverulento de este producto el transporte y apilado se hace con
adición de agua incluso en zonas donde ésta escasea. Así se han formado
escombreras de cientos de miles de toneladas que se han tenido que acondicionar
para evitar el peligro de arrastre y contaminación de zonas colindantes. Por lo
tanto el aspecto más importante de esta tecnología es que se consigue una
considerable disminución del impacto ambiental, ya que da lugar a una fuerte
reducción de las emisiones de SO2, NOx y CO2.
La industria cementera, dentro de su búsqueda constante de materiales
alternativos que aporten nuevas cualidades a los cementos a la vez de ahorros
15
energéticos, ha estudiado las cenizas volantes. Las investigaciones que se llevan
a cabo al respecto detectaron en este producto un poder puzolánico similar a los
materiales naturales de origen volcánico que, adicionados al cemento, son
capaces de reaccionar con los productos de hidratación aportando nuevas
propiedades al producto final.
Actualmente, la producción anual de ceniza volante en el mundo es del orden de
450 millones de toneladas. Únicamente cerca de 25 millones de toneladas, es
decir, 6 % del total de ceniza volante, se está usando como una puzolana en
cementos portland combinados o en mezclas de concreto.. Los países en donde
se dispone de grandes cantidades de escoria de alto horno como un subproducto,
pueden beneficiarse con el uso de grandes volúmenes de escoria granulada, ya
sea como un aditivo del concreto o como un aditivo en la manufactura de
cementos portland con escoria.
16
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL
Recopilar y unificar los documentos e investigaciones acerca de la “Ceniza
Volante” como aditivo adicionado al concreto hidráulico con el fin de analizar y
describir como se deben realizar diferentes procesos constructivos, realizando una
comparación e identificar sus beneficios a corto y largo plazo.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar los beneficios que se obtienen con el uso de Cenizas Volantes (fly
ash) como aditivo inclusor de aire y su resistencia a la compresión, a la tensión
y en general a sus propiedades tanto físicas como químicas en las mezclas de
concretos hidráulicos.
Lograr obtener un concepto claro sobre su descripción y plantear
recomendaciones sobre la utilización de las Cenizas Volantes (fly ash) en los
procesos constructivos.
Determinar cuáles son las formas de inclusión de la Ceniza Volante (fly ash)
tanto en el proceso de fabricación como en la mezcla de concretos hidráulicos.
Entender el campo de acción en que cada proceso tecnológico descrito como
producto de este trabajo tenga aplicación en obras civiles.
17
2. MARCO HISTORICO
El uso del hormigón como elemento constructivo ha estado presente en multitud
de estructuras y edificaciones desde los albores del Imperio Romano hasta
nuestros días. Paralelamente han ido evolucionando con él, tanto los elementos
básicos de las obras en las que se ha utilizado este material como la propia puesta
en obra del mismo, los ensayos que se realizan sobre éste para asegurar su
calidad y los aditivos utilizados en la elaboración del propio hormigón. En la
actualidad son muchos los factores que intervienen en el resultado de la
resistencia final del material, de entre los que se van destacar la temperatura
ambiente en el momento del hormigonado, los aditivos empleados y los ensayos a
los que se somete el hormigón. (Nistal Cordero, Retana Maqueda, & Ruiz Abrio,
2012)
El nombre cemento como material de construcción tiene su origen en los romanos,
que llamaron opus caementum a una obra de mampostería de piedra y un
conglomerante de cal viva calcinada. Más tarde, se nombró como cementum,
cimentum, caement y cement.
El imperio Romano marco un gran auge del uso del hormigón como elemento de
la construcción. Esto debido a la habilidad para construir que poseían y a la
fabricación de morteros que obtenían mezclando arenas volcánicas que tenían
propiedades cementicias con piedras naturales. Este mortero poseía unas
propiedades físicas y mecánicas prácticamente idénticas a las que posee el
hormigón utilizado en las construcciones erigidas en la actualidad y era utilizado
en la construcción de estructuras enormes que han probado ser muy duraderas
con el paso de los siglos.
Con el hormigón de cemento puzolánico, una estructura monolítica fue posible y
por consiguiente nuevas formas de construcción y de estructura, fueron
18
descubiertas y desarrolladas: Arcos, Bóvedas, Cúpulas, Domos y muros más
delgados o de menor espesor.
La Basílica de Constantino, las fundaciones del edificio del foro y el panteón con
su domo de 43 metros de diámetro fueron construidos por los Romanos en la
segunda centuria DC y el acueducto de Pont du Gard en Francia del sur.
Figura 1 Basílica de Constantino
Fuente: Recuperado de (Cardenas)
Los edificios mencionados, se conservan intactos hasta hoy y son considerados
los más antiguos construidos en hormigón.
Posteriormente el empleo del hormigón como material estructural decayó hasta
que John Smeaton lo volvió a emplear en la reconstrucción del Faro de Edystone
en la costa sur de Inglaterra. En 1756 ya había estudiado el comportamiento de
calizas impurificadas con arcillas en la fabricación de morteros y descubrió que las
que proporcionan los morteros de mejores características eran las que poseían
19
una proporción importante de arcilla. Este es el primer paso en el empleo de la
materia prima actual de los cementos. La tabla 1 muestra cronológicamente y de
forma más detallada los acontecimientos históricos que giraron alrededor del
concreto.
Tabla 1 Datos históricos del concreto
Año Acontecimiento Histórico
1756 John Smeaton. Habiendo estudiado el comportamiento de calizas impurificadas con arcillas en la fabricación de morteros descubrió que las que proporcionan los morteros de mejores características eran las que poseían una proporción importante de arcilla. Este es el primer paso en el empleo de la materia prima actual de los cementos.
1796 James Parker. Patentó en Inglaterra un método para fabricar cemento hidráulico por calcinación de nódulos de cal con alto contenido en arcilla (cemento romano)
1817 Vicat. Conocido como el padre del cemento. Se le debe el sistema de fabricación que se sigue empleando en la actualidad. Publicó su "Recherches experimentales" y en 1828 "Mortiers et ciments calcaires". Marco la pauta a seguir en la fabricación del cemento por medio de mezclas de calizas y arcillas dosificadas en las proporciones convenientes y molidas conjuntamente. Empleo un sistema de fabricación de vía húmeda y con él marcó el inicio del actual proceso de fabricación.
1824 Joseph Aspdin. Se le otorgó la primera patente para la fabricación del cemento portland.
1838 Brunel. Emplea por primera vez un cemento procedente de la fábrica de Aspdin en el que se había logrado una parcial sintetización por elección de una temperatura adecuada de cocción. Con este cemento se construyó un túnel bajo el río Támesis en Londres.
1845 Isaac Johnson. Produjo el prototipo del cemento moderno a escala industrial logrando conseguir temperaturas suficientemente altas para clinkerizar a la mezcla de arcilla y caliza empleada como materia prima.
1845 Lambot. Comienza, en el sur de Francia, a fabricar objetos en los que combinaba el
hormigón y el acero surgiendo de esta forma el primer hormigón armado. 1861 Francois Coignet. Estudia por primera vez, el papel que corresponde al hormigón y
al acero como partes integrantes del nuevo material en el libro que publicó ese mismo año bajo el título "Betons Aggloméres".
1875 Joseph Monier. Construyó el primer puente de hormigón armado del mundo, cerca de Chazalet en Francia.
1885 Coignet. Asociado con Monier presentó en la Exposición Universal de París, ejemplos de elementos que podían realizarse con hormigón (vigas, bóvedas, tubos, etc.)
1886 Mathias Koenen. Director técnico de la casa Wayss publicó el primer método
empírico de cálculo de secciones de hormigón armado sujetas a flexión. 1889 Se construye la presa de S. Mateo en Estados Unidos a base de mampuestos unidos
por mortero. 1894 Moeller construye la primera viga en vientre de pez
1897 El ingeniero de Caminos, José Eugenio Rivera construye numerosas obras con hormigón.
1903 Perret construye el primer edificio con estructura de hormigón armado en el número 25 de la calle Franklin de Paris; Rivera emplea cajones flotantes en la cimentación de 6 puentes en Valencia y
20
Año Acontecimiento Histórico
en el viaducto Alfonso XII. Freyssinet logra el desencofrado de arcos por apertura en clave y realiza los primeros hormigones Pretensados
1910 Se introduce la enseñanza del hormigón armado en la Escuela de Ingenieros de caminos de Madrid.
1913 Se suministra por primera vez hormigón preparado en central a una obra de Baltimore en U.S.A.
1914 Le Corbusier construye la primera casa prefabricada en hormigón armado 1915 Rankin y Wright, demuestran la existencia de silicato tricalcico en el cemento
hidratado y llegan a identificarlo con la ayuda de los rayos X. Estos mismos investigadores publican en el mismo año su diagrama temario de equilibrio de fases SiO2 - Al2 03- CaO.
1916 Se patenta el primer camión hormigonera. Freyssinet emplea el vibrado en la construcción del hangar de Orly en Paris formado por una lámina de 60 m de luz, 9m de flecha y 300 m de longitud.
1927 Harrington aplica los rayos X a la identificación de los constituyentes anhidros del cemento.
1933 Freyssinet en el campo del hormigón proyecta y construye los primeros postes prefabricados para transmisión de energía eléctrica.
1934 Lea y Parker, amplían el diagrama ternario de Rankin a cuaternario al introducir el hierro Fe2O3 En este mismo año se produce otro gran avance al estudiar Stell, Davey, Bogue y Chassevent,espectrograficamente los constituyentes del cemento y al iniciar por la misma técnica el estudio de los productos procedentes de la hidratación.
1939 Nervi construyo un hangar, destruido durante la guerra, de 100 x 40 m y que tenía algunas partes hormigonadas pero la mayoría de las piezas habían sido prefabricadas por métodos sencillos y después unidas con hormigón en obra. Nervi ha logrado obras tan extraordinarias como la cubierta del Palacio de los Deportes de Roma.
Fuente: Adaptado de http://www6.uniovi.es/
2.1. LAS PUZOLANAS EN LA ERA MODERNA
El acueducto de Los Ángeles (1910-1912) se construyó con una mezcla de
cemento y de una puzolana natural, pumicite de Pórtland del rhyolite y en 1912 la
presa de Arrowrock. La presa de Bonneville (1935) utilizó el cemento Pórtland con
puzolana natural. Los embarcaderos del puente de la bahía del San Francisco
Oakland tienen concreto con puzolana (1935.)
En 1939, un revestimiento de calzada fue realizado en Chicago con un cemento
conteniendo cenizas volantes. El primer uso principal de las cenizas volantes del
carbón fue en la reparación del túnel spillway en la presa de la aspiradora en
21
1942. En 1952 fue inaugurada la presa de Hungry Horse sobre el río Flathead
cerca del parque nacional del glaciar en Montana. Esta obra fue construida con un
aglomerante que contenía 70% de cemento y 30% en peso de cenizas para el
macizo interno de la obra; el hormigón del paramento contenta 25% de cenizas.
Su construcción absorbió 140.000 toneladas de cenizas. Otra presa, la de
Baltimore Liberty, situada sobre el río Patapsco, utilizó más de 8000 toneladas en
la proporción de 25% de cenizas. Otras cinco presas fueron construidas durante
los años 50 usando el concreto de las cenizas volantes del carbón. En Francia,
una pequeña presa, la de Saint-Hilaire en el Isere, ha sido construida con 15% de
cenizas. En todos los casos las cenizas eran mezcladas al cemento en la misma
obra. El problema fue abordado algo más tarde en Francia. En 1946, la compañía
de las cenizas volantes de Chicago (precursor a American Fly Ash Company) fue
formada para poner las cenizas volantes del carbón como material de
construcción. La Commonwealth Edison Company solicitó ayuda con sus
problemas de aumento de la disposición de las cenizas volantes. Otros mercados
eran necesarios. Los mercados iniciales abiertos por la compañía de las cenizas
volantes de Chicago, era la utilización de las cenizas volantes como reemplazo del
cemento y como reforzador de las calidades del concreto para resolver los nuevos
requisitos de la posguerra.
En 1951 la Sociedad de Materiales de Construcción de la Loisne puso en el
mercado dos cementos que contenían "cenizas volantes".
De los 50 millones de toneladas producidos en los EE.UU. de 10 a 12% es
utilizado en la producción de concreto. El 90% de las plantas de premezclado y el
50% del concreto utilizan cenizas volantes.
En los EE.UU. se inició la aplicación de las puzolanas naturales en el concreto, en
presas y obras hidráulicas producidas por el Bureau Reclataion en los años 30,
incorporando porcentajes del 20% de cemento. Posteriormente, se introdujo como
22
puzolana las cenizas volantes producidas al quemar carbón en las centrales
hidroeléctricas, favorecida por la introducción de nuevas tecnologías con ocasión
de la crisis del petróleo en los años 70.
Durante 2001, la industria para uso general eléctrica de ESTADOS UNIDOS
generó cerca de 71,2 millones de toneladas de las cenizas volantes del carbón;
cerca de 25,1 millones de toneladas de las cenizas volantes fueron utilizadas, que
es más de dos veces la cantidad anual media utilizó entre 1985 y 1995. Utilizaron
a la mayoría de productos de las cenizas volantes en usos, incluyendo la
producción del cemento y productos concretos, terraplenes estructurales o
terraplenes construcción-relacionados, estabilización de suelo, estabilización de
los materiales de desecho, terraplén fluido y las mezclas, y llenado mineral de la
mampostería en pavimentar del asfalto.
En la década del cincuenta tuvieron importante desarrollo, en Europa
incorporándose al cemento Pórtland, incrementándose rápidamente la capacidad
instalada frente a los requerimientos de la reconstrucción de la post-guerra. Al
constatarse las características de impermeabilidad y de resistencia a la acción de
aguas dañinas, especialmente en Italia, desarrollándose los primeros cementos
puzolánicos. (Meissner, 1950).
En los países sajones, Estados Unidos e Inglaterra, como adiciones en las
mezclas de concreto, en centrales de premezclado. Su progresión ha sido
manifiesta, a partir de la primera crisis del petróleo de 1974 y posteriormente con
las regulaciones ambientales.
En la actualidad, una gran mayoría de países han introducido en las normas de
cemento diferentes tipos de adiciones minerales. En los Estados Unidos una
moderna norma de performance desregla la composición de los cementos
adicionados especificando únicamente el comportamiento de las pastas.
23
En Perú las adiciones puzolánicas se incorporan desde hace más de una década.
En la década pasada significaron aproximadamente algo más del 20% de los
despachos de cemento. En 1950 se trabajó con adiciones puzolánicas y escoria
de alto horno por su Economía y propiedades para obras hidráulicas y portuarias.
En 1970 se utilizaron adiciones puzolánicas, fly ash, escorias y filler ya que se
tenía Ahorro de energía. En 1980 fueron empleadas adiciones puzolánicas, como
cenizas volantes (fly ash), escorias, fillers y microsílice, obteniendo muchas
ventajas en el Medio ambiente, así como el aumento de su Resistencia y los
avances en la Tecnología.
En Chile a fines de la década de los cincuenta se introdujeron al mercado los
cementos Puzolánicos (con puzolana), como alternativa de los Pórtland.
24
3. MARCO TEORICO
Para determinar la calidad del concreto se deben tener en cuenta parámetros
como su resistencia, características para acabados y la fluidez de la mezcla,
aunque el cemento portland logra otorgarle al concreto estas propiedades, el
empleo de otros componentes como las cenizas volantes ha dado como resultado
cementos de muy alta calidad y durabilidad.
La descripción de la utilización de cenizas volantes en concreto hidráulico no se
hace sin antes describir detalladamente el material en el que funciona como
aditivo y aunque la literatura al respecto es muy amplia se ha hecho una
recopilación basada en los autores más importantes para simplificar y describir el
tema de una forma clara y concisa.
3.1. CONCRETO
El concreto es un material durable y resistente, dado que se trabaja en su forma
semilíquida, puede adquirir cualquier forma. Es un excelente material de
construcción porque puede moldearse en una gran variedad de formas, colores y
texturizados para ser usado en un número ilimitado de aplicaciones.
El concreto está compuesto por la mezcla de cemento, agua, arena y grava. La
pasta, compuesta de Cemento Pórtland y agua, une a los agregados (arena y
grava o piedra triturada) para formar una masa semejante a una roca pues la
pasta endurece debido a la reacción química entre el cemento y el agua. Los
agragados pueden ser finos o gruesos. Los finos pueden ser arena natural o
25
artificial con partículas hasta de 9,5 mm y los gruesos de 19 a 25 mm.
(Kosmatka, Kerhoff, Panarese, & Tanesi, 2004)
La mezcla de los componentes del concreto convencional produce una masa
plástica que puede ser moldeada y compactada con relativa facilidad; pero
gradualmente pierde esta característica hasta que al cabo de algunas horas se
torna rígida y comienza a adquirir el aspecto, comportamiento y propiedades de un
cuerpo sólido, para convertirse finalmente en el material mecánicamente resistente
que es el concreto endurecido.
El comportamiento mecánico de este material y su durabilidad en servicio
dependen de tres aspectos básicos: Las características, composición y
propiedades de la pasta de cemento, o matriz cementante, endurecida.
En el primer aspecto debe contemplarse la selección de un cementante apropiado,
el empleo de una relación agua-cemento conveniente y el uso eventual de un
aditivo necesario, con lo cual debe resultar potencialmente asegurada la calidad
de la matriz cementante.
La calidad del concreto depende de la calidad de la pasta y del agregado y de la
unión entre los dos. Cuanta menos agua se use, mejor es la calidad del concreto,
si es que la mezcla se puede consolidar adecuada-mente. Menores cantidades de
agua de mezcla (mezclado) resultan en mezclas más rígidas (secas); pero, con
vibración, aún las mezclas más rígidas pueden ser fácil-mente colocadas. Por lo
tanto, la consolidación por vibración permite una mejoría de la calidad del
concreto. (Kosmatka, Kerhoff, Panarese, & Tanesi, 2004)
En cuanto a la calidad de los agregados, es importante adecuarla a las funciones
que debe desempeñar la estructura, a fin de que no representen el punto débil en
el comportamiento del concreto y en su capacidad para resistir adecuadamente y
26
por largo tiempo los efectos consecuentes de las condiciones de exposición y
servicio a que esté sometido.
Finalmente, la compatibilidad y el buen trabajo de conjunto de la matriz
cementante con los agregados, dependen de diversos factores tales como las
características físicas y químicas del cementante, la composición mineralógica y
petrográfica de las rocas que constituyen los agregados, y la forma, tamaño
máximo y textura superficial de éstos.
De la esmerada atención a estos tres aspectos básicos, depende sustancialmente
la capacidad potencial del concreto, como material de construcción, para
responder adecuadamente a las acciones resultantes de las condiciones en que
debe prestar servicio. Pero esto, que sólo representa la previsión de emplear el
material potencialmente adecuado, no basta para obtener estructuras resistentes y
durables, pues requiere conjugarse con el cumplimiento de previsiones igualmente
eficaces en cuanto al diseño, especificación, construcción y mantenimiento de las
propias estructuras.
Además de los ingredientes de la mezcla de concreto en sí misma, será necesario
un refuerzo de acero para construir estructuras sólidas denominado hormigón. El
acero reforzado puede ser de alta o baja resistencia, características que
dependerán de las dimensiones y la resistencia que se requieran.
3.1.1. Características y propiedades del concreto
Las propiedades del concreto se clasifican según el estado del mismo, es decir
concreto en fresco o recién mezclado y el concreto endurecido después de
secado. La tabla 2 muestra cuales son las principales características, su definición
y los factores principales que influyen en sus propiedades.
27
Tabla 2 Características y propiedades del concreto
Característica Definición Factores Influyentes
Trabajabilidad Es la facilidad de colocación, consolidación y acabado del concreto fresco y el grado que resiste a la segregación. El concreto debe ser trabajable pero los ingredientes no deben separarse durante el transporte y el manoseo
-El método y la duración del transporte. -Cantidad y características de los materiales cementantes. -Consistencia del concreto (asentamiento en cono de Abrams o revenimiento). -Tamaño, forma y tex-tura superficial de los agregados finos y gruesos. -Aire incluido (aireincorporado). -Cantidad de agua. -Temperatura del concreto y del aire Aditivos.
Sangrado (exudación)
Es el desarrollo de una camada de agua en el tope o en la superficie del concreto recién colocado. Es causada por la sedimentación de las partículas sólidas (cemento y agregados) y simultáneamente la subida del agua hacia la superficie. Un poco de sangrado es útil en el control de la fisuración por retracción plástica. El exceso de sangrado aumenta la relación agua-cemento cerca de la superficie; puede ocurrir una camada superficial débil y con poca durabilidad
-Aumenta el sangrado: con la cantidad inicial de agua, altura del elemento de concreto y presión. -Reduce el sangrado: El uso de agregados de granulometría adecuada, ciertos aditivos químicos, aire incluido, materiales cementantes suplementarios y cementos más finos.
Hidratación, tiempo de fraguado y endurecimiento
La calidad de unión (adhesión) de la pasta de cemento se debe a las reacciones químicas entre el cemento y el agua, conocidas como hidratación. En la pasta de cemento ya endurecida, las partículas forman uniones enlazadas entre las otras fases cristalinas y los granos sobrantes de cemento sin hidratar; también se adhieren a los granos de arena y a piezas de agregado grueso, cementando todo el conjunto. La formación de esta estructura es la acción cementante de la pasta y es responsable del fraguado, del endurecimiento y del desarrollo de resistencia.
Las propiedades ingenieriles del concreto, fraguado y endurecimiento, resistencia y estabilidad dimensional dependen principalmente del gel de hidrato de silicato de calcio. El silicato tricalcico y el silicato dicalcico constituyen cerca del 75% del peso del cemento Pórtland, reaccionan con el agua para formar dos nuevos compuestos: el hidróxido de calcio y el hidrato de silicato de calcio. La composición química del silicato de calcio hidratado que contiene cal (CaO) y sílice (Si02), está en una proporción sobre el orden de 3 a 2. El área superficial del hidrato de silicato de calcio es de unos 3000 metros cuadrados por gramo
Calor de hidratación
Las reacciones que se dan como resultado del endurecimiento de la pasta de cemento hidráulico son exotérmicas. Las grietas se forman si
Temperaturas altas se controlan colocando concreto con una temperatura inicial baja y sustituyendo el cemento portland por materiales
28
Característica Definición Factores Influyentes
el gradiente térmico es demasiado elevado.
cementantes de reacción más lenta o reduciendo el contenido de cemento mediante aditivos químicos.
Resistencia R a la compresión: Es el factor que
determina la idoneidad del concreto. Generalmente varía entre 30 y 50 Mpa, se han empleado resistencias más altas de 130 Mpa. Se define como la medida máxima de la resistencia a carga axial de especímenes del concreto. R. a la flexión: Se usa en el diseño de
pavimentos u otras losas. Es normalmente de 0.7 a 0.8 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en megapascales. R a la tensión: es aproximadamente de 8% a 12% de su resistencia a compresión y a menudo se estima como 1.33 a 1.99 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión. R a torsión: está relacionada con el módulo de ruptura y las dimensiones de los miembros de concreto.
Factores que gobiernan la resistencia del concreto: -Relación agua y material cementante -Condiciones de curado (humedad y temperatura) -Edad -Características de material cementante -Características y cantidad de los agregados -Tiempo de mezclado -Grado de compactación -Contenido de aire
Resistencia al congelamiento y al deshielo
La congelación es el factor de temperismo más destructivo y el deshielo mientras el concreto está húmedo. El deterioro es causado por la congelación del agua y posterior expansión en la pasta, agregado o ambos.
Aumenta resistencia a desintegración por congelamiento: Incorporación de Aire y minimizar formación de escamas Uso de aditivos inclusores de aire para lograr burbujas con separación homogénea
Permeabilidad y estanquidad
Permeabilidad: cantidad de agua que migra a través del concreto mientras que el agua está bajo presión o habilidad del concreto de resistir la penetración del agua u otra sustancia. Estanquidad: habilidad del concreto en retener el agua sin escurrimiento o escape visible.
Baja permeabilidad: -Relación agua – materia cementante (a/mc) debe limitarse. -Sustituir una parte del cemento por puzolana. -Compactación y curado.
Fuente: Elaboración propia. Adaptado de (Mather & Ozyildirim, 2002)
Otras propiedades:
Las propiedades requeridas dependen de los criterios de comportamiento y de las
condiciones de servicio para cada obra en particular. Los factores que influyen en
29
la resistencia también influyen en las siguientes propiedades intrínsicas: módulo
de elasticidad, contracción al secado y expansión al humedecerse, resistencia a la
cavitación, impacto y fluencia. Las siguientes propiedades son a menudo
importantes para fines especiales: densidad, resistencia al fuego, protección
contra radiación, resistencia a la abrasión y conductividad térmica, las cuales
pueden o no resultar afectadas directamente por los factores que influyen en la
resistencia a la compresión. (Mather & Ozyildirim, 2002)
3.1.2. Compuestos del concreto
A continuación se detallan los compuestos que forman parte del concreto:
3.1.2.1. El cemento
El cemento es un material aglutinante que presenta propiedades de adherencia y
cohesión, que permiten la unión de fragmentos minerales entre sí, formado un
todo compacto. En la construcción, se ha generalizado la utilización de la palabra
cemento para designar un tipo de aglutinante específico, existen varios tipos de
cemento como lo describe la Tabla 3, dentro de ellos el más común es el que se
denomina Cemento Pórtland., la clasificación de cementos portland se describe en
la tabla 4.
El cemento Portland es un conglomerante hidráulico, es decir, un material
inorgánico finamente molido, que amasado con agua forma una pasta que fragua
y endurece por medio de reacciones y procesos de hidratación, el cual una vez
endurecido conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua. Está
compuesto principalmente de silicatos hidráulicos de calcio
30
Tabla 3. Tipos de cemento de acuerdo a la norma UNE EN 197-1
Tipos de cemento Denominaciones Designaciones
I Cemento Portland CEM I
II Cemento Portland con adiciones CEM II
III Cemento Portland con escorias de horno alto CEM III
IV Cemento Puzolánico CEM IV
V Cemento compuesto CEM V
Fuente: Norma UNE-EN 197-1:2000
Tabla 4 Tipos y subtipos de cemento Portland designados por la ASTM C 150
Tipo de cemento Descripción
Tipo I Normal
Tipo IA Normal con aire incluido
Tipo II Moderada resistencia a los sulfatos
Tipo IIA Moderada resistencia a los sulfatos con aire incluido
Tipo III Alta resistencia inicial (alta resistencia temprana)
Tipo IIIA Alta resistencia inicial con aire incluido
Tipo IV Bajo calor de hidratación
Tipo V Alta resistencia a los sulfatos
Fuente: (Kosmatka, Kerhoff, Panarese, & Tanesi, 2004)
Cuando se adiciona la pasta (cemento y agua) a los agregados (arena y grava,
piedra triturada o cualquier material granular) la pasta actúa como un adhesivo y
une los agregados para formar el concreto. (Kosmatka, Kerhoff, Panarese, &
Tanesi, 2004)
La pasta constituye del 25 al 40 % del volumen total del concreto. El volumen
absoluto del Cemento está comprendido usualmente entre el 7 y el 15 % y el agua
entre el 14 y el 21 %. El contenido de aire y concreto con aire incluido puede llegar
hasta el 8% del volumen del concreto, dependiendo del tamaño máximo del
agregado grueso como se muestra en la figura 2. Esta pasta tiene la función de
cubrir a los agregados finos y gruesos en toda su superficie, además de llenar los
31
vacíos que por efectos de granulometría existen en mayor o menor cantidad.
Como los agregados constituyen aproximadamente el 60 al 75 % del volumen total
del concreto, su selección es importante. La calidad del concreto depende en gran
medida de la calidad de la pasta. En un concreto elaborado adecuadamente, cada
partícula de agregado está completamente cubierta con pasta y también todos los
espacios entre partículas de agregado.
Figura 2 Proporciones de materiales usadas en concreto
Fuente: (Kosmatka, Kerhoff, Panarese, & Tanesi, 2004)
En la pasta de cemento, de acuerdo a lo descrito por (Mehta & Aitcin, 1990), se
diferencian dos zonas: pasta de cemento propiamente dicha y zona de transición.
Pasta de cemento: Esta zona comprende a la pasta en sí. Es la matriz que
contiene a los agregados y en conjunto forman el hormigón. Aquí, los productos de
hidratación del cemento tales como hidratos de sulfoaluminato de calcio, hidratos
de silicato de calcio e hidróxido de calcio, comienzan a cristalizar y llenar espacios
originalmente ocupados por agua.
32
La resistencia de la pasta de cemento se debe principalmente a fuerzas de
atracción molecular a nivel superficial del tipo de Van der Waal’s. Si las partículas
se encuentran más cercanas entre sí, con menos cristalinidad, la resistencia será
mayor. Por eso se desea obtener en su mayoría estructuras del tipo compacto y
amorfo como los productos internos.
Zona de transición: Esta corresponde a la interface pasta-agregado.
Normalmente el agregado grueso ejerce un efecto de pared en la mezcla, lo que
ocasiona que parte del agua de exudación se acumule alrededor de él,
aumentando considerablemente la relación agua-cemento de la pasta que se
encuentra alrededor del agregado, en comparación con la pasta en la matriz. Esto
ocasiona una discontinuidad en el material que afecta seriamente a la resistencia.
También se verifica que, al tener más espacio disponible, algunos compuestos van
a cristalizar como productos externos, es decir con menor resistencia. Los
esfuerzos deben encaminarse entonces a la obtención de una zona de transición
con características similares a las de la matriz, para evitar discontinuidades y
poder transmitir correctamente las tensiones entre los componentes de la mezcla.
3.1.2.1.1. Materiales cementantes
Los cementantes que se utilizan para la fabricación del concreto son hidráulicos,
es decir, fraguan y endurecen al reaccionar químicamente con el agua, aun
estando inmersos en ella, característica que los distingue de los cementantes
aéreos que solamente fraguan y endurecen en contacto con el aire.
Los principales cementantes hidráulicos son las cales y cementos hidráulicos,
algunas escorias y ciertos materiales con propiedades puzolánicas figura 3. De
acuerdo con el grado de poder cementante y los requerimientos específicos de las
33
aplicaciones, estos cementantes pueden utilizarse en forma individual o
combinados entre sí.
Al referirse específicamente al concreto convencional, como se emplea en la
construcción, resultan excluidas las cales hidráulicas, por lo cual solo se
consideran los cementos, las escorias, los materiales puzolánicos y sus
respectivas combinaciones.
Figura 3 Materiales cementantes. De izquierda a derecha ceniza volante (Clase C), metacaolinita (arcilla calcinada), humo de sílice, ceniza volante (Clase F), escoria y esquisto. (69794)
Fuente: (Kosmatka, Kerhoff, Panarese, & Tanesi, 2004)
a) Materiales Puzolanicos:
Son materiales en cuya composición química predominan los óxidos y cuentan
con poco o nulo valor cementante, pero con un alto grado de finura y en presencia
de humedad reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a temperatura
ambiente produciendo propiedades cementantes.
De acuerdo a (Calleja, 1968) se puede describir como una materia esencialmente
silicosa que finamente dividida no posee ninguna propiedad hidráulica, pero posee
34
constituyentes (sílice-alúmina) capaces, a la temperatura ordinaria, de fijar el
hidróxido de cal para dar compuestos estables con propiedades hidráulicas.
Clasificación de las puzolanas:
Puzolanas naturales:
Materias de origen volcánico
Materias sedimentarias de origen animal o vegetal.
Puzolanas artificiales:
Materias tratadas (tratamiento térmico 600 y 900°C.
Subproductos de fabricación industrial
Cenizas volantes
Humo de sílice
Arcilla naturales (subproductos de la industria del ladrillo cocido)
Ceniza de cascarilla de arroz
Escorias granuladas de industrias metálicas no ferrosas 1.
Propiedades físicas y químicas de las puzolanas:
De acuerdo a (Salazar, 2002) la actividad puzolánica se refiere a la cantidad
máxima de hidróxido de calcio con la que la puzolana puede combinar y la
velocidad con la cual ocurre esta reacción.
Puzolana + Cal + Agua Silicatos y Aluminatos de Calcio hidratados
La actividad puzolánica depende: de la naturaleza y proporción de las fases
activas presentes en la puzolana (composición mineralógica), de la relación cal –
puzolana de la mezcla, de la finura (o superficie específica) de la puzolana y de la
temperatura de la reacción. Los productos de reacción puzolana/cal generalmente
35
son del mismo tipo que los productos de hidratación del Cemento Pórtland:
Silicatos Cálcicos Hidratados (CSH), Aluminatos Cálcicos Hidratados (CAH) y
Sílico - Aluminatos Cálcicos Hidratados (CSAH).
La práctica de utilizar ceniza volante y escoria granulada de alto horno molida en
las mezclas de concreto de cemento Pórtland, ha ido aumentando en los últimos
años en los Estados Unidos. Una de las principales razones de este incremento es
el interés en la conservación de la energía así como la reducción en el costo del
concreto que se obtiene al emplear cenizas o escorias para reemplazar
parcialmente al cemento, sus aplicaciones se describen de forma más amplia en el
capítulo 7.
b) Materiales nominalmente inertes
Los materiales inertes frecuentemente se emplean como adición al cemento y
como una sustitución parcial de la arena en el concreto para mejorar la
trabajabilidad pobre causada frecuentemente por la falta de finos en la arena. A
veces se agrega al concreto caliza pulverizada para reducir la reactividad álcali-
sílice.
Los materiales nominalmente inertes tienen pocas o nulas propiedades
cementantes. Algunos de los materiales nominalmente inertes son el cuarzo en
bruto finamente dividido, las dolomitas, calizas, el mármol, el granito, y otros
materiales.
3.1.2.2. El agua
Cualquier agua natural que sea potable y no presente fuerte sabor y olor se puede
usar como agua de mezcla. Sin embargo, es posible usar aguas que no se
consideren potables garantizando a través de ensayos del tiempo de fraguado que
36
las impurezas en el agua de amasado no van a disminuir o a aumentar
adversamente el tiempo de fraguado del cemento.
El exceso de impurezas en el agua de mezcla no sólo puede afectar el tiempo de
fraguado y las resistencia del concreto, pero también puede causar eflorescencias,
manchado, corrosión del refuerzo, instabilidad del volumen y reducción de la
durabilidad. Por lo tanto, se pueden establecer ciertos límites opcionales para
cloruros, sulfatos, álcalis y sólidos en el agua de mezcla o se pueden realizar
ensayos adecuados para la determinación del efecto de las impurezas sobre
varias propiedades. Algunas impurezas pueden tener un pequeño efecto sobre la
resistencia y el tiempo de fraguado y aun afectar la durabilidad y otras
propiedades. (Kosmatka, Kerhoff, Panarese, & Tanesi, 2004)
En relación con su empleo en el concreto, el agua tiene dos aplicaciones
diferentes: como ingrediente en la elaboración de las mezclas y como medio de
curado de las estructuras recién construidas. En el primer caso es de uso interno
como agua de mezclado, y en el segundo se emplea exteriormente cuando el
concreto se cura con agua. Aunque en estas aplicaciones las características del
agua tienen efectos de diferente importancia sobre el concreto, es usual que se
recomiende emplear igual de una sola calidad en ambos casos. Así, normalmente,
en las especificaciones para concreto se hace referencia en primer término a los
requisitos que debe cumplir el agua para elaborar el concreto, porque sus efectos
son más importantes, y después se indica que el agua que se utilice para curarlo
debe ser del mismo origen, o similar, para evitar que se subestime esta segunda
aplicación y se emplee agua de curado con características inadecuadas. El agua
utilizada, tanto para el amasado como para el curado del hormigón en obra, no
debe contener ningún ingrediente dañino en cantidades tales que afecten a las
propiedades del hormigón o a la protección de las armaduras frente a la corrosión.
En general, podrán emplearse todas las aguas llamas como aceptables por la
práctica.
37
Los requisitos de calidad del agua de mezclado para concreto no tienen ninguna
relación obligada con el aspecto bacteriológico (como es el caso de las aguas
potables), sino que básicamente se refieren a sus características físico-químicas
ya sus efectos sobre el comportamiento y las propiedades del concreto.
Salvo estudios especiales se prohíbe expresamente el empleo de aguas de mar o
salinas para el amasado o curado del hormigón armado o pretensado.
3.1.2.3. Agregados
Los agregados pueden ser finos como la arena y piedra triturada con partículas
menores de 5 mm o gruesos como la grava y la piedra triturada con partículas
superiores a los 5 mm; ocupan entre el 60 y el 75% del volumen del concreto.
Influyen fuertemente en las propiedades tanto en estado fresco como endurecido,
en las proporciones de la mezcla y en la economía del concreto.
Los agregados frecuentemente se lavan y se gradúan en la mina de donde se
extraen. Pueden existir variaciones en cuanto al tipo, calidad, limpieza,
granulometría (gradación), contenido de humedad entre otras.
Los agregados naturales para concreto son una mezcla de rocas y minerales. Las
rocas generalmente se componen de minerales como por ejemplo el granito que
contiene cuarzo, feldespato, mica y otros pocos minerales.
También es usado el concreto reciclado o de desperdicio, que representan un
beneficio de tipo económico y como sustitutos en especial en áreas donde se
presenta escases de buenos agregados.
38
Normas de los agregados en Ingeniería: Deben ser partículas limpias, duras,
resistentes, durables, libres de productos químicos absorbidos, revestimiento de
arcilla u otros materiales finos que puedan activar la hidratación y la adherencia a
la pasta de cemento.
3.1.2.3.1. Granulometría
La granulometría es importante para lograr una mezcla económica, porque afecta
a la cantidad de hormigón que puede fabricarse con una cantidad determinada de
cemento y agua.
La granulometría es la distribución de los tamaños de las partículas de un
agregado tal como se determina por análisis de tamices (norma ASTM C 136). El
tamaño de partícula del agregado se determina por medio de tamices de malla de
alambre con aberturas cuadradas. Los siete tamices estándar ASTM C 33 para
agregado fino tiene aberturas que varían desde la malla No. 100 (150 micras)
hasta 9.52 mm. (Kosmatka, Kerhoff, Panarese, & Tanesi, 2004)
Los números de tamaño (tamaños de granulometría), para el agregado grueso se
aplican a las cantidades de agregado (en peso), en porcentajes que pasan a
través de un arreglo de mallas. Para la construcción de vías terrestres, la norma
ASTM D 448 enlista los trece números de tamaño de la ASTM C 33, más otros
seis números de tamaño para agregado grueso. La arena o agregado fino
solamente tiene un rango de tamaños de partícula.
La granulometría y el tamaño máximo de agregado afectan las proporciones
relativas de los agregados así como los requisitos de agua y cemento, la
trabajabilidad, capacidad de bombeo, economía, porosidad, contracción y
durabilidad del concreto.
39
3.1.2.4. Aditivos
Sustancias o productos que, incorporados al hormigón (antes o durante el
amasado o en un amasado suplementario) en una proporción no superior al 5%
del peso del cemento, producen la modificación deseada en estado fresco y/o
endurecido de alguna de sus características, de sus propiedades habituales o de
su comportamiento. (Reed Business Information Spain, 2066)
Reed Business Information Spain también expresa que la interpretación que
puede darse a esta definición es que un material sólo puede considerarse como
aditivo cuando se incorpora individualmente al concreto, es decir, que se puede
ejercer control sobre su dosificación. De esta manera, las puzolanas y las escorias
solamente son aditivos si se les maneja y administra por separado del cemento
Pórtland. Lo cual no deja de ser más bien una cuestión de forma, ya que
cualitativamente sus efectos son los mismos que si se administran por conducto
del cemento.
En hormigones armados y pretensados se prohíbe la utilización de aditivos en
cuya composición intervengan cloruros, sulfuros, sulfitos u otros componentes
químicos que puedan ocasionar o favorecer la corrosión de las armaduras. El
cloruro cálcico, por tanto, sólo podrá emplearse en hormigón en masa, en las
debidas proporciones (del 1,5 al 2% del peso del cemento). En los elementos
pretensados mediante armaduras ancladas exclusivamente por adherencia, no
podrán utilizarse aditivos que tengan carácter de aireantes.
Los aditivos se transportarán y almacenarán de manera que se evite su
contaminación y que sus propiedades no se vean afectadas por factores físicos o
químicos (heladas, altas temperaturas, etc.)
40
Los aditivos se usan comúnmente para (1) ajustar el tiempo de fraguado o
endurecimiento, (2) reducir la demanda de agua, (3) aumentar la trabajabilidad, (4)
incluir intencionalmente aire, y (5) ajustar otras propiedades del concreto. Después
de un proporcionamiento adecuado, así como, dosificación, mezclado, colocación,
consolidación, acabado, y curado, el concreto endurecido se transforma en un
material de construcción resistente, no combustible, durable, resistencia al
desgaste y prácticamente impermeable que requiere poco o nulo mantenimiento.
Entre los recientes desarrollos están la nueva generación de aditivos
superfluidizantes, aditivos de innovación para el colado de concreto en climas
fríos, agentes inclusores de aire, desarrollo de cementos libres de macrodefectos,
aditivos activadores de escoria, aditivos inhibidores de la expansión álcali-
agregado, aditivos para colados bajo el agua, aceleradores de fraguado libre de
cloruros, aditivos controladores de fraguado y aditivos inhibidores de corrosión.
(Colunga, 2003)
Los nuevos superfluidizantes, desarrollados a través de procesos de sintetización,
han logrado grados de eficiencia mayores en hasta 30 por ciento que los
obtenidos por sus antecesores –con sus consecuencias en el consumo–, tienen
mayor retención del revenimiento y un aumento relativo de resistencia. El empleo
de estos aditivos ha permitido aumentar la dosis de materiales tales como la
ceniza volante o la escoria de alto horno para tener concretos con mejor
resistencia al intemperismo. Otro producto derivado del empleo de los
superfluidizantes son los sistemas cementados densificados de baja porosidad,
donde se pueden alcanzar resistencias de 269 Mpa. (Colunga, 2003)
Debe tenerse en cuenta que el comportamiento de los aditivos puede variar con
las condiciones particulares de cada obra, tipo y dosificación de cemento,
naturaleza de los áridos, etc. Por ello es imprescindible la realización de ensayos
41
previos en todos y cada uno de los casos y muy especialmente cuando se
empleen cementos diferentes del Pórtland.
Algunos de estos factores pueden ser objeto de maniobra por parte del usuario del
concreto, pero otros no. Por ejemplo, los aspectos relativos a la composición del
concreto y a las prácticas constructivas son factores susceptibles de ajuste y
adaptación, en tanto los que corresponden al medio ambiente ya las condiciones
de exposición y servicio, por lo general son factores fuera del control del usuario.
De acuerdo con este planteamiento, para influir en el comportamiento y las
propiedades del concreto, a fin de adaptarlos a las condiciones externas, se
dispone principalmente de dos recursos:
a) La selección y uso de componentes idóneos en el concreto, combinados en
proporciones convenientes.
b) El empleo de equipos, procedimientos, y prácticas constructivas en general,
de eficacia comprobada y acordes con la obra que se construye.
El uso de aditivos queda comprendido dentro del primer recurso y normalmente
representa una medida opcional, para cuando las otras medidas no alcanzan a
producir los efectos requeridos, en función de las condiciones externas actuales o
futuras. Es decir, la práctica recomendable para el uso de los aditivos en el
concreto, consiste en considerarlos como un medio complementario y no como un
substituto de otras medidas primordiales, tales como el uso de un cemento
apropiado, una mezcla de concreto bien diseñada, o prácticas constructivas
satisfactorias.
Los aditivos suelen emplearse en la elaboración de concretos, morteros o mezclas
de inyección, no sólo para modificar sus propiedades en los estados fresco y
endurecido, sino también por economía, para ahorrar energía y porque hay casos
42
en que el uso de un aditivo puede ser el único medio factible para obtener el
resultado requerido.
3.1.2.4.1. Aditivos químicos
Tomando como referencia la Norma IRAM 1663 (“Hormigón de Cemento
Portland/Aditivos Químicos), la cual definen los aditivos químicos así: “Es el
material que, aparte del cemento, los agregados y el agua empleados
normalmente en la preparación del hormigón puede incorporarse antes o durante
la ejecución del pastón, con el objeto de modificar alguna o varias de sus
propiedades en la forma deseada, aportando un volumen desestimable”.
Esta misma norma define los diferentes tipos de aditivos asi:
a) Aditivos básicos:
• Incorporador de aire.
• Fluidificante.
• Retardador de fraguado.
• Acelerador de fraguado.
b) Combinaciones de aditivos básicos
• Fluidificante e incorporador de aire.
• Fluidificantes y retardador de fraguado.
• Fluidificante y acelerador de fraguado.
• Fluidificantes y acelerador de resistencia inicial.
• Superfluidificante.
• Superfluidificante y retardador de fraguado.
• Superfluidificante y acelerador de fraguado.
43
• Incorporadores de aire para morteros fluidos
• Aditivos para morteros de albañilería de larga vida
• Aditivos acelerantes de resistencia
• Aditivos hiperfluidificantes (para hormigones autocompactantes)
Las Normas dejan en libertad a los productores de aditivos químicos para usar las
combinaciones químicas que ellos estimen como las más convenientes por sus
características tecnológicas, costos, etc., pero imponiéndoles ciertos requisitos
físicos y químicos a cumplir.
c) Mezcla de aditivos:
Puede ser muy arriesgada si no se conoce la compatibilidad existente entre los
aditivos a mezclar. En cambio, si se sabe que son compatibles, la mezcla puede
ser útil para conseguir determinados efectos.
d) Efectos sobre el volumen de hormigón:
• El volumen de aditivo químico que se agrega al hormigón es despreciable. Con
algunos aditivos incorporadores de aire hay que tener en cuenta el volumen de
éste al dosificar.
• El volumen de adiciones que se incorpora es significativo, por lo que siempre
debe tenerse en cuenta al preparar la dosificación.
• Acción química sobre el hormigón que se traduce en modificaciones de algunas
de sus características:
- La de los aditivos químicos es siempre activa, y su efecto se hace sentir
prácticamente de inmediato.
- La de las adiciones puede ser activa o no. En caso de ser activa es
generalmente lenta, y recién puede apreciarse su efecto a edades de 60, 90 y
44
más días. Por ello debe prolongarse el tiempo de curado del hormigón.
(Snitcofsy, 2007)
3.1.2.4.2. Aditivos superfluidificantes
Snitcofsy también describe los aditivos superfluidicantes asi: “también
denominados superplastificantes o reductores de agua de alto rango. Su
utilización es la que posibilitó, a partir de mediados de los años ´70, una mejora
sustancial en las propiedades del hormigón, en especial de sus resistencias
mecánicas.”
Según la normativa Norma IRAM 1663, se definen como aditivos
superfluidificantes a aquellos que permiten realizar una reducción en el agua de
amasado del hormigón mayor al 12%.
Su característica principal es que pueden agregarse en dosis importantes en el
hormigón (hasta un 3% respecto del peso del cemento) sin que esto origine la
aparición de efectos secundarios perjudiciales tales como demoras en el fragüe o
una excesiva incorporación de aire.
Actúan formando una película lubricante sobre las partículas de cemento, debido a
la absorción del superfluidificante sobre la superficie de las mismas; asimismo, se
generan cargas eléctricas negativas sobre la superficie de dichas partículas, lo
cual provoca la dispersión, venciendo la tendencia de las moléculas de agruparse
formando grumos. De esta forma, al dispersarse el cemento, una mayor cantidad
de él puede entrar en contacto con el agua, mejorando la plasticidad de la mezcla
y obteniendo una más eficiente hidratación.
45
Los superfluidificantes aportan considerables beneficios al hormigón, sin embargo
su empleo en el mismo no corrige los errores que pudieran surgir de una
incorrecta dosificación o deficiencia de los materiales. Por consiguiente, es preciso
adoptar todas las prescripciones de carácter tecnológico que se recomiendan para
cualquier otro tipo de hormigón.
46
4. CENIZAS VOLANTES
El residuo inorgánico que resulta después de quemar el carbón pulverizado, se
conoce como derivado de combustión. Estos derivados se acumulan rápidamente
y pueden causar problemas enormes de desperdicio, a menos que se encuentre
alguna manera de utilizarlos por medio de programas de recuperación.
Las investigaciones que se llevaron a cabo detectaron en este producto un poder
puzolánico similar a los materiales naturales de origen volcánico que, adicionados
al cemento, son capaces de reaccionar con los productos de hidratación
aportando nuevas propiedades al producto final.
4.1. ORIGEN DE LAS CENIZAS VOLANTES
De acuerdo con la norma ASTM C–618–80, “Las cenizas volantes son el residuo
finamente dividido que se origina en la combustión del carbón”.
Las cenizas de combustión pulverizadas llamadas cenizas volantes por ser
residuos de carbón bituminoso ardiendo son lo suficientemente finos para ser
llevados por el gas que sale del horno. La ceniza se elimina por medio de una
serie de precipitadores mecánicos y electrostáticos antes que el gas sea liberado a
la atmosfera, las operaciones unitarias del proceso se describen en la figura 4.
(Corona Zazueta, 1997). El polvo es fino de partículas esféricas y cristalinas, tiene
propiedades puzolanicas y está compuesto principalmente de SiO2 y Al2O3.
47
Figura 4 Proceso de Obtención de la Ceniza Volante
Fuente: Adaptado de (Corona Zazueta, 1997)
Debido a que las cenizas volantes se originan de la combustión del carbón, las
propiedades físicas, químicas y mecánicas de las cenizas volantes dependen
directamente del tipo de carbón del cual provienen y de la calidad del proceso de
su proceso de combustión.
Antes de su combustión el carbón se pulveriza usando molinos y posteriormente
se inyecta dentro del horno usando para ello una corriente de aire caliente a alta
velocidad, ya en suspensión se quema a una temperatura superior a 1500 °C,
dentro de dicho proceso las partículas inorgánicas no sufren una combustión
completa, produciéndose partículas de ceniza.
Las centrales termoeléctricas que usan carbón (combustible) y que son
generadoras de energía producen dos tipos de residuos: las cenizas volantes y la
escoria, la diferencia entre ellas dos radica en el tamaño de las partículas. Las
FUENTE DE CARBON PULVERIZADOR DEL CARBON HORNO
PRECIPITADOR ELECTROSTATICO
CENIZA VOLANTE ALMACENADO EN
SECO
CENIZA VOLANTE DE CONDICIONES DE
CURADO
48
partículas más finas (cenizas volantes) se obtienen mediante una precipitación
mecánica o electrostática del polvo que se encuentre en estado de suspensión, las
más gruesas (escorias) caen al fondo por gravedad. Las cenizas volantes
constituyen aproximadamente el 80% del total de la ceniza. Este proceso se
muestra en la figura 5.
Figura 5 Esquema de la Producción de las Cenizas Volantes y Escorias
Fuente: Elaboración propia
Existen cuatro variedades fundamentales de carbón: antracitas, carbones
subbituminosos, bituminosos y lignitos; esta clasificación se extiende desde los
carbones más antiguos hasta los más recientes. De acuerdo con su calidad, la
antracita es el carbón de mayor poder calorífico, siendo el lignito el más pobre en
este aspecto. La figura 6 representa los tipos de carbón y el uso según la industria
que lo requiera.
Los componentes principales del carbón son:
a) Vitreno: Es la parte negra, brillante y quebradiza del carbón.
b) Clareno: Es negro y brillante, pero en menor cantidad que el vitreno.
c) Dureno: Es el componente mate, gris oscuro, duro y resistente.
PRECIPITADOR ELECTROSTATICO
CENIZAS VOLANTES
Escorias Cenizas de fondo
DESULFURIZACION CALDERA
Carbón
Pulverizad
o
CHIMENEA
Emisión de gases
Yeso
Central termoeléctrica
Carbón
49
d) Fuseno: Es la parte negra, blanda y polvorosa que tiende a romperse. No es
coquizable, por lo cual perjudica el poder aglomerante del carbón.
Figura 6 Clase, estado y uso del carbón
Fuente: Elaboración propia
El contenido de ceniza es el material incombustible del carbón, en formas de
materias minerales en el crecimiento de los vegetales iniciales, materiales
extraños que penetraron en la yeta durante su formación o rocas atrapadas
durante el proceso de extracción. Entre las materias minerales están las que
existían en la sustancia vegetal originaria, las que fueron transportadas por las
aguas en la formación e intercaladas entre la sustancia vegetal en descomposición
y aquellas materias extrañas.
Generación
de energía
Industria del cemento
Industrias
varias
Industria del
hierro y acero
Generación
de energía
Domésticos e
industrial
USOS
50
4.2. CLASIFICACIÓN DE LAS CENIZAS VOLANTES
De acuerdo con la norma colombiana NTC 3493: Cenizas Volantes y Puzolanas
Naturales, Calcinadas o Crudas, Utilizadas Como Aditivos Minerales en el
Concreto de Cemento Pórtland (ASTM C – 618: Standard Specification for Coal
Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in
Concrete), existen dos clases de cenizas volantes: Ceniza Volante clase C y
Ceniza Volante clase F; En esta clasificación se tiene en cuenta la composición
química de óxidos determinando como parámetro principal el porcentaje de la
suma de óxidos de silicio, aluminio y hierro.
4.2.1. Cenizas volantes clase f
Están constituidas por cenizas volantes producidas normalmente a partir de la
combustión de antracitas o carbones bituminosos. Estas cenizas deben cumplir los
requisitos dados por la norma NTC 3493 (ASTM C – 618), por lo que poseerán
propiedades puzolánicas. Estas cenizas volantes tienen el material silíceo o
silíceo, aluminoso y ferroso, contienen pequeñas cantidades de cal (inferiores al
15%) y tiene propiedades puzolanicas.
4.2.2. Cenizas volantes clase c
Son la producidas por la combustión de lignitos o carbones sub bituminosos y
contienen mayor cantidad de cal (entre 15 y 30%). Estas además de poseer
propiedades puzolánicas, tienen ciertas propiedades cementantes, endureciendo
al contacto con el agua.
51
4.3. PROPIEDADES DE LAS CENIZAS VOLANTES
Sus propiedades y características dependen de varios factores como la
composición química de los componentes incombustibles del carbón, el grado de
pulverización del mismo, el tipo de caldera, la temperatura de combustión, el tipo
de extractor, el proceso por el cual las cenizas son retiradas.
4.3.1. Propiedades físicas
La forma, fineza, distribución del tamaño de la partícula, densidad, y composición
de las partículas de las cenizas volantes, influencian las características de los
productos para uso final. Las principales propiedades físicas de las cenizas
volantes se muestran en la tabla 5.
Tabla 5 Propiedades físicas principales de las cenizas volantes
Propiedad física Rango de valores
Aspecto externo Polvo fino, grisáceo
Tamaño de partícula 1 – 200 µm ᴓ
Superficie especifica 0.2 – 25 m2/g
Densidad 0.5 – 0.8 g/cm3
Peso especifico 1.9 – 2.8 g/cm3
Fusión 950 – 1550 °C
Absorción de líquido 20 – 30% de agua
El tamaño del grano oscila entre 0,2 y 200 micras de diámetro, las que provienen
de lecho fluido tienen forma pulvurenta con partículas de tipo plano y
granulometría de 0,5 a 315 micras.
En algunos países utilizan mallas de 45 micras, con lo cual se determina que entre
mayor sea la cantidad de ceniza volante que pase por la malla de 45 micras,
52
mayor será su efecto sobre la resistencia del concreto, esta es usada como
función del tamaño de las partículas.
Su forma es de un polvo granulado, en su mayoría sus partículas son esféricas,
algunas aplanadas, su color varía de gris claro a negro dependiendo de la fuente,
el color claro indica presencia de cal.
En cuanto a las propiedades puzolanicas está indicada por la manera y la rapidez
con la que el sílice de la ceniza volante se combina con el hidróxido de calcio
liberado por la hidratación del cemento. En general las cenizas volantes tienen una
velocidad de reacción menor que la mayoría de puzolanas.
De acuerdo a (CEDEX, 2006) al realizar pruebas de laboratorio obtuvo resultados
geotécnicas de sus propiedades:
Carecen de plasticidad debido a la ausencia de minerales arcillosos en su
composición.
Su granulometría es similar a la de una suelo limoso, entre un 80 y 95% de
las partículas tienen tamaño limo.
Una vez compactas, una característica geotécnica ventajosa de las cenizas
volantes es su menor comprensibilidad en relación a otros suelos, lo cual es
importante para reducir los asientos diferenciales.
La mínima densidad seca, según distintos autores, suele estar comprendida
entre 5 y 10 kN/m3, y la máxima densidad seca (PN) varía entre 9 y 16
kN/m3.
La permeabilidad de las cenizas volantes compactadas es semejante a las
de un suelo limoso, variando también en función de sus características
granulométricas. Valores típicos de permeabilidad son 2x10 -5 a 3x10-7 m/s.
53
Estabilidad de Volumen: Según (Brown, 1976), la estabilidad de volumen es la
capacidad de una pasta de cemento, mortero u hormigón, para resistir las
tensiones internas producidas durante la hidratación del cemento, sin sufrir
variaciones de volumen ni grietas.
Por el contrario, se habla de inestabilidad de volumen cuando se producen
alteraciones generalmente debidas a la lenta hidratación del CaO calcinado a
muerte o del MgO, del cemento. Estas reacciones disruptivas ocurren cuando la
pasta está endurecida. Tanto el Ca (OH)2, como el Mg (OH)2 así producidos
poseen un gran volumen molecular que induce tensiones internas muy elevadas y,
finalmente, una expansión del hormigón que puede producir, en ciertos casos, la
total destrucción del concreto.
El empleo de cementos con adiciones, (cementos Pórtland + ceniza volante) ha
resultado ventajoso para evitar, los fenómenos de expansión, debido, entre otras
causas, al hecho de que los cementos con adiciones contienen una menor
cantidad de clinker Pórtland.
El ensayo de expansión en autoclave descrito en la norma NTC 107 método para
determinar la expansión en autoclave del cemento Pórtland (ASTM C 151-00
Standard Test Method for Autoclave Expansion of Portland Cement), es,
probablemente, demasiado severo para detectar la inestabilidad de volumen. En
efecto, cuando aplicamos este ensayo a los cementos con adiciones, encontramos
que la expansión debida a la presencia de CaO o MgO es menor que la expansión
real que tiene lugar en la práctica. Esto se debe, probablemente, a que los
compuestos químicos formados durante el proceso de hidratación en autoclave
difieren considerablemente de los originados en la obra de hormigón.
La Norma NTC 3493 (ASTM C 618) indica que la expansión en autoclave máxima
de 0.8% es el requisito para las cenizas de las clases F y C, en lo que respecta a
54
la estabilidad de volumen de los hormigones que hayan de fabricarse con las
mismas.
4.3.2. Propiedades químicas y mineralógicas
Las cenizas volantes son especialmente ricas en dióxido de sílice (SiO2), óxido de
aluminio (Al2O3) y óxido férrico (Fe2O3), conteniendo también otros óxidos, como
óxido cálcico (CaO), óxido magnésico (MgO), óxido de titanio (TiO2), óxido de
sodio (Na2O), óxido de potasio (K2O), trióxido de azufre (SO3), etc., la
responsabilidad de su actividad puzolánica se atribuye al SiO2 y al Al2O3,
especialmente si ambos se encuentran formando parte de productos amorfos. La
tabla 6 muestra la composición química típica de las cenizas volantes y la tabla 7
describe el análisis mineralógico de las formas en que están presentes los
Materiales.
Tabla 6 Composición típica de las cenizas volantes
Componente Ceniza clase f Ceniza clase c Cemento portland
SiO2 54.90 39.90 22.60
Al2O3 25.80 16.70 4.30
Fe2O3 6.90 5.80 2.40
CaO (cal) 8.70 24.30 64.40
MgO 1.80 4.60 2.10
SO3 0.60 3.30 2.30
Fuente: Adpatada de (Jarrige, 1971)
Mineralógicamente las cenizas volantes están compuestas por una gran fase de
vidrio (más del 80% de las cenizas) y una fase cristalina consistente
principalmente de mullita, cuarzo, magnetita, yeso, hematites, wustita, goehita,
pirita, calcita, anhidrita, periclasa, y oxido de calcio libre.
55
El contenido de fase vitrea puede calcularse por medios químicos o por difracción
de rayos x. Para el caso de los análisis químicos exigen la determinación de los
siguientes parámetros y compuestos: Humedad, perdida por calcinación, carbón
sin quemar, oxido de aluminio, de zinc, de magnesio, de Sodio y de Potasio, óxido
de hierro II, óxido de hierro III, oxido de manganeso II y de cromo IV, oxido de
fosforo, oxido de calcio total, oxido de calcio libre, dióxido de silicio y de carbono,
trióxido de azufre, ion fluoruro e ion cloruro. (Santaella Valencia, 2001)
Los factores primarios que influencian la mineralogía de cenizas volantes del
carbón son según (Baker, 1987):
Composición química del carbón.
Proceso de la combustión del carbón incluyendo la pulverización del
carbón, la combustión, operaciones limpias de la colección de las cenizas
volantes ascendentes del humo.
Añadidos usados, incluyendo los añadidos del aceite para los añadidos del
control de la estabilización y de la corrosión de la llama.
Tabla 7 Análisis mineralógico de las formas en que están presentes los materiales
Mineral Descripción
Sílice Como dióxido de sílice (Si O2). Está presente en forma vidriosa como silicatos de calcio,
aluminio y hierro que están listos a reaccionar químicamente. El cemento Pórtland contiene
aproximadamente un 22% de sílice.
Aluminio Como óxido de aluminio (AI2 O3). En la ceniza volante el aluminio está siempre combinado
probablemente con el sílice. Está por lo tanto, en condición vítrea amorfa y no cristalina. El
aluminio en el cemento Pórtland ordinariamente está entre un 3 a un 7 %.
Hierro Como óxido ferroso (Fe O) y como óxido férrico (Fe2 O3). Casi todo el hierro está presenté en
la forma de óxido férrico y no se sabe cómo es que está presente la otra forma. La cantidad de
hierro en el cementó Pórtland está entre un 1%, en algunos hasta un 9% en otros como los
cementos marinos o "ferro - Pórtland".
Cal Como óxido cálcico (CaO). Entre menos cal contenga un material puzolánico hay más
probabilidad de que los silicatos, el aluminio y el hierro restantes reaccionen con la cal liberada
por la hidratación del cemento Pórtland. El cementó Pórtland contiene de un 62 a un 65% de
cal. Una tonelada (1000 Kg) de cemento libera entre 150 a 200 Kg ó más de cal durante la
56
reacción agua / cemento. La función de la ceniza volante es la de proporcionar sílice, aluminio,
y óxidos de hierro para que reaccionen con esta cal libre formando otros compuestos estables
de valor cementante.
Magnesio Como óxido de magnesio (MgO). Se encuentra también en estructura vítrea lo cual no es
peligroso. Las normas francesas especifican que debe estar en proporciones menores al 3%
pues este elemento es el culpable de que se produzca hinchazón en la mezcla. Las normas
americanas son un poco más flexibles y fijan este límite en un 5%.
Titanio Como óxido de titanio (TiO2) Químicamente es parecido a la sílice pero como su concentración
en la ceniza es tan pequeña no se le tiene en cuenta.
Älcalis,
Soda y
Potasio
Como óxido de sodio (Na2O) y como óxido de potasio (K2O), Existen como complejos de los
silicatos, entre todos los otros óxidos. Menos de la mitad del 1% de los álcalis en la ceniza
volante son solubles en agua. Varias personas opinan que los álcalis tienen algo que ver con
la relativa actividad puzolánica de algunos materiales.
Azufre Como trióxido de azufre (SO3). En la ceniza está en la forma anhidrica y en esta forma no es
peligrosa. Actúa de una manera similar a la del yeso en el cemento aunque esto no es
positivamente conocido. El cemento Pórtland contiene entre 1 y 2% de trióxido de azufre.
Fuente: Elaboración propia
Tabla 8 Limitaciones Químicas para las Cenizas Volantes según la norma NTC 3493 (ASTM
C-618).
Características Clase de cenizas volantes
Clase F Clase C
Dióxido del silicio (óxido de aluminio más de SiO2) (óxido más del hierro
del Al2 O3) (Fe2 O3), %mínimo 70,0 50,0
Trióxido del sulfuro (SO3), % máximo 5,0 5,0
Contenido de agua, % máximo 3,0 3,0
Pérdida en la ignición, % máximo 6.01 6,0
Álcalis como Na2O2, % máximo 1.5 1.5
Únicamente es aplicable cuando el comprador lo requiere, especialmente para un aditivo mineral que se va a utilizar en un concreto que
contenga un agregado reactivo y cemento, con el fin de cumplir con una limitante en el contenido de álcalis
El uso de las cenizas volantes de la clase F que contienen la pérdida del hasta 12% de ignición se puede aprobar por el usuar io si los
resultados aceptables del funcionamiento están disponibles
Fuente: NTC 3493 (ASTM C-618)
Cuando las cenizas volantes van a ser utilizadas como materiales de construcción,
bien sea en la preparación de cementos con adiciones, o en el empleo de las
57
mismas directamente en obra, los materiales de adición deben cumplir ciertas
exigencias dentro de las que se encuentra su composición química. La tabla 8
resume los requisitos químicos que deben cumplir las cenizas volantes de acuerdo
con la norma NTC 3493 (ASTM C-618).
4.3.3. Humedad
La absorción de humedad por parte de las cenizas se debe a varias causas, las
más importante son (Alonso Ramírez, 1990) (Asociación de Investigaciones
Industrial Electrica (ASINEL), 1982) :
El método utilizado en el desempolvado de los humos procedentes de la
combustión del carbón, que arrastran a las cenizas volantes.
El método utilizado en la recogida de las cenizas, que puede realizarse en
estado seco o húmedo.
El sitio en el que se depositan, que por lo general se hace a la intemperie
en zonas cercanas a la central.
El medio de transporte utilizado, ya que en algunos casos para un traslado
seguro es necesario una humectación previa debido a la finura del polvo.
4.3.4. Pérdidas por calcinación en las cenizas volantes
Experimentalmente se ha determinado que el carbón es el principal causante de la
perdida por calcinación. Cuando el contenido del carbón en una ceniza es superior
al 12%, se produce un aumento de la demanda de agua en la mezcla, cuando se
compara con una pasta de consistencia normal, esto se debe a que la superficie
específica del carbón es muy elevada. Además, puede absorber aditivos orgánicos
como reductores del agua, aireantes, retardadores del fraguado, etc, utilizados
58
para mejorar las características de pastas, morteros y hormigones. (Sersale,
1980). Asimismo, las cenizas volantes con altos porcentajes de carbón disminuyen
la resistencia. El contenido de carbón de las cenizas volantes puede ser un
importante parámetro para la clasificación de las cenizas en tres grupos, como se
muestra en la tabla 9.
Tabla 9 Contenido de Carbón de las Cenizas Volantes
Grupo A Grupo B Grupo C
% de carbón 0 – 5 5 – 10 8 – 15
Fuente: (Alonso Ramírez, 1990)
La cantidad de carbón en la ceniza depende de la velocidad y temperatura de
combustión, grado de pulverización del carbón original, proporción relativa entre
combustión y aire y de la naturaleza del material que se quema.
Las cenizas de clase F tienen mayor cantidad de carbón que las de clase C.
También se puede decir que la fracción de cenizas entre 300 y 545 µm contiene
de 3 a 10 veces más perdida por calcinación que la que pasa por el tamiz de 45
µm. (Owens, 1979)
En resumen, puede afirmarse que una ceniza volante será tanto mejor, cuanto
menor sea su contenido en carbón sin quemar. De hecho las cenizas volantes con
altos porcentajes de carbón producen hormigones de bajas resistencias
mecánicas.
59
5. USO Y VENTAJAS DE LA CENIZA VOLANTE
5.1. ANTECEDENTES
Las propiedades que tienen las cenizas volantes les permiten ser utilizadas en
diversas aplicaciones, su mayor uso es como materia prima en la fabricación de
cementos, hormigones y morteros, entre otros.
En años recientes el costo tan alto que implicaba reparar y sustituir
infraestructuras se convirtió en una preocupación, adicional a esto el manejo de
residuos debía tener una solución adecuada para contribuir con el medio
ambiente.
Con relación a los problemas de durabilidad de estructuras de concreto, esta
industria empezó a abordar el desarrollo de un nuevo tipo de concreto, de alto
comportamiento, capaz de responder a los requisitos de resistencia, durabilidad y
trabajabilidad. Se reconoció que la extrapolación del conocimiento acerca del
concreto convencional no resulta adecuada para manejar el desarrollo del alto
comportamiento.
Durante algún tiempo, este problema se asoció principalmente con los efectos
dañinos como resultado de los ciclos de congelación y deshielo del concreto, por
lo cual no se le considero la debida importancia en las regiones que por su
situación geográfica no experimenta clima invernal severo. La tecnología moderna
del concreto exige que la estructura del concreto resulte tan resistente como se
desee y que a la vez soporte las condiciones de exposición y servicios a la que se
verá sometido durante su vida útil. Para lograr lo anterior se requiere de los
conocimientos del comportamiento de todos los ingredientes que interviene en el
concreto y su correcta dosificación, ya que dependiendo de los porcentajes de
60
cada uno de sus componentes primarios (pasta y agregado) cambian sus
propiedades y de igual manera con sus aditivos y adiciones.
5.2. VENTAJAS DE LA CENIZA VOLANTE
La ceniza del carbón ofrece un gran número de ventajas ya que es abundante,
económica y versátil. Además, el uso de la ceniza del carbón preserva recursos
naturales, baja tarifas para uso general y es apoyado por las agencias
gubernamentales.
Usando ceniza volante en el concreto y otros productos, se elimina la necesidad
de tener que botar las cenizas en rellenos sanitarios
La ceniza volante conserva nuestros recursos naturales al reemplazar materiales
que de otra manera, hubiesen tenido que ser adquiridos a través de la minería
para la fabricación del cemento. Adicionalmente, la fabricación de cemento es un
gran contribuidor de emisiones de dióxido carbono a la atmósfera. Por cada
tonelada de cemento producida, cerca de una tonelada de CO2 es emitida. Así es
que, poniendo ceniza volante en el cemento se pueden evitar emisiones
adicionales de CO2.
La compatibilidad, la abundancia, la disponibilidad y la economía ambiental de la
ceniza del carbón se traducen en ventajas para la industria ya que se benefician
con ahorros en costos significativos sin sacrificar calidad en el producto. De hecho,
las características de la ceniza son tales que, en muchos usos, mejora el producto.
Los ahorros en costos se logran sustituyendo recursos naturales costosos por la
ceniza del carbón comparativamente más barata.
61
La industria cementera, dentro de su búsqueda constante de materiales
alternativos que aporten nuevas cualidades a los cementos a la vez de ahorros
energéticos, ha estudiado las cenizas volantes. Las investigaciones que se
llevaron a cabo detectaron en este producto un poder puzolánico similar a los
materiales naturales de origen volcánico que, adicionados al cemento, son
capaces de reaccionar con los productos de hidratación aportando nuevas
propiedades al producto final. Así los cementos con adición de cenizas volantes
producen hormigones más compactos, por lo tanto más impermeables y, como
consecuencia, menos expuestos a agresiones de agentes exteriores siendo por
ello más durables. Además con cenizas volantes se han podido fabricar cementos
para usos específicos, como es el de hormigones para presas, debido al bajo calor
de hidratación que se consigue con la sustitución de hasta el 50% de clinker por
cenizas volantes. (Gil Viancha & Plazas Vianda, 2007)
El uso principal de las Cenizas Volantes (Fly Ash), se caracteriza por ser un
producto magnífico en la industria de la construcción. Cuando es utilizada con el
cemento de Pórtland, el hidróxido del calcio (cal hidratada), liberado durante la
hidratación, se combina lentamente con las Cenizas Volantes, contribuyendo a la
formación de un material de cemento que agrega fuerza, impermeabilidad, y otras
características a la estructura que resulta.
La adición de Cenizas Volantes, a una mezcla de concreto hidráulico puede
mejorar perceptiblemente las características del concreto fresco y endurecido. Las
Ceniza Volante se ha considerado sobre todo para las estructuras hidráulicas tales
como presas, canales, tuberías y para la fabricación de bloques de concreto, para
el control de la nieve y hielo en carreteras, en estructuras para terraplenes y
drenajes.
62
5.2.1. Las ventajas de las cenizas volantes en el concreto
La ceniza volante mejora la fuerza del concreto
Cocientes bajos del agua-cemento
Mejora Durabilidad
Mejora Plasticidad
Continúa consolidando en un cierto plazo
Acorta la florescencia, hermética
Baja permeabilidad
La ceniza volante mejora la durabilidad del concreto
Menor volumen
Resistencia al desgaste por la acción atmosférica
Resistencia a hielo-deshielo
Resistencia a las reacciones químicas adversas
Resistencia a la lixiviación
Resistencia a la sal en suelos y el agua subterránea.
Buena calidad de la pasta
La ceniza volante es rentable
Mejora la facilidad de la dirección
Mejora la facilidad de la colocación
Mejora la trabajabilidad y los acabados
Costos menores que el cemento.
Ventajas a largo plazo
Fuerza creciente
Durabilidad de alta temperatura mejorada
Resistencia a la corrosión
63
Resistencia mejorada al ataque del sulfato
Ventajas a corto plazo
Resiste fuertemente el sulfato y el ataque corrosivo
Mezclas más ligeras del peso
Reduce la segregación y la sangría
Compatible con todas las adiciones
Calificado en la construcción de recipientes nucleares
A continuación se describe más ampliamente las ventajas de más relevancia que
poseen las cenizas volantes:
5.2.1.1. Resiste la corrosión
Tiene la capacidad de resistir la corrosión y el ataque de las aguas subterráneas
con sulfato encontradas a menudo al perforar en busca de petróleo y de gas. Es
compatible con la mayoría de los aditivos del cemento y puede ser mezclado para
resolver una gama de condiciones e inconvenientes.
Las principales razones para una baja expansión en el concreto con alto volumen
de ceniza volante parecen ser la permeabilidad muy baja del mismo, y la dilución
efectuada, es decir la reducción en los C3A y los volúmenes de Ca (OH)2;
además, la mayoría del Ca(OH)2 disponible se consume en las reacciones de la
puzolana, inhibiendo así las reacciones del sulfato.
5.2.1.2. Corrosión del acero de refuerzo
El concreto con alto volumen de ceniza volante puede proporcionar una protección
excelente al acero de refuerzo contra la corrosión (Beaudoin, Zhang, & Malhotra,
1998). Este desempeño del concreto con alto volumen de ceniza volante era
64
equivalente al de un concreto de cemento de Pórtland convencional con una
relación agua / cemento de 0.32.
5.2.1.3. Requerimientos de agua
La relación agua/cemento es el factor que controla la resistencia, debido a que el
volumen relativo del espacio originalmente ocupado por el agua determina el
volumen total de la materia sólida en el concreto endurecido. En términos muy
generales, mientras más alto sea el volumen del material sólido, mayor será la
resistencia a la compresión. De ahí se sigue que, en el concreto de alto
desempeño, al igual que en el concreto ordinario, la resistencia a, digamos, 28
días, es una función de la relación agua/cemento. Para este tiempo, la escoria
habrá reaccionado en un grado significativo, y la ceniza volante aproximadamente
un poco menos. Sin embargo, el alcance de la reacción de la ceniza volante es
muy sensible a la efectividad del curado. (Neville, 1996).
Las mezclas de concreto que contienen cenizas volantes o escorias granuladas de
alto horno molidas, casi siempre requieren menos agua (aproximadamente de 1a
10 %) para obtener un cierto revenimiento que los concretos que solo contienen
cemento Pórtland.
5.2.1.4. Mejoras de la trabajabilidad
Varios plastificantes han sido ensayados para darle esta textura a la mezcla entre
los cuales están los Inclusores de aire que introducen pequeñas partículas de aire
en la mezcla fresca.
La "Ceniza Volante" también le da esta textura a las mezclas debido a que la
ausencia de partículas finas en los agregados se salva con la adición de este
65
elemento, el que por su extrema figura y su forma tienden a servir como lubricante
entre los agregados.
La trabajabiIidad se incrementa en tal forma por la acción mecánica de la ceniza
volante, que la cantidad de agua a añadirse puede reducirse sin afectar esta ni la
colocabiIidad de la mezcla. La ceniza volante, la escoria molida, y muchos
materiales inertes generalmente mejoran la trabajabilidad de los concretos de igual
resistencia y revenimiento. Sería difícil encontrar un aditivo para el concreto de
cimentación, con la utilización de las Cenizas Volantes, la mezcla es más fina que
el cemento Pórtland sin ningún tipo de tratamiento, por lo tanto se trabaja mejor,
como lubricante que el cemento. La tensión en el equipo de bombeo se reduce,
las presiones de bombeo pueden ser disminuidas y los vacíos se llenan
eficientemente. Las temperaturas extremas se alcanzan en las grandes
profundidades. En los concretos Arquitectónicos los que se usan de maneras muy
intrincadas, con líneas claras y agudas y en superficies muy encerradas, la adición
de "ceniza volante" es muy importante para darle manejabilidad y colocabiIidad a
la mezcla; no importa si esta está hecha con agregado grande o pequeño, de
partículas redondas o con agregado poroso liviano. La cantidad de ceniza en estos
casos debe ser dosificada hasta lograr la trabajabilidad requerida.
5.2.1.5. Segregación y sangrado
Los concretos en los que se emplea ceniza volante o humo de sílice por lo general
muestran menos segregación y sangrado que los concretos simples. Este efecto
hace a la ceniza volante particularmente valiosa en los concretos fabricados con
agregados que presentan deficiencias en su contenido de finos.
66
5.2.1.6. Calor de hidratación
Uno de los grandes problemas del concreto cuando es utilizado en masa, para
grandes estructuras, es el aumento de la temperatura en la primera etapa del
fraguado como consecuencia de la hidratación del cemento. Una vez adquiere
temperatura ambiente, se pueden producir agrietamientos peligrosos.
El uso de cenizas volantes y de escorias molidas reducen la cantidad de calor que
se forma en una estructura de concreto debido a su menor calor de hidratación o
que reaccionan químicamente un poco más tarde que aquél. Algunas puzolanas
tienen un calor de hidratación del orden del 40% del presentado por el cemento.
En consecuencia, desarrollan más lentamente el calor de hidratación. Esto
significa que la elevación muy temprana de la temperatura del concreto es un poco
menor. Inclusive una pequeña reducción en la temperatura máxima es importante,
ya que con los contenidos de cemento verdaderamente empleados en el concreto
de alto desempeño, la elevación de la temperatura en el centro de una sección
masiva puede ser de 50 °C o inclusive mayor. Lo que importa, por supuesto, no es
la temperatura máxima como tal, sino el gradiente de temperatura entre el centro y
la superficie del elemento de concreto, el cual se da generalmente a una
temperatura moderada. Se ha sugerido que si el gradiente de temperatura no
excede los 20 °C por metro, entonces no ocurrirá agrietamiento térmico debido al
enfriamiento diferencial (Neville, Concreting technology / an essential element of
structural design, 1998).
Esta reducción en el aumento de la temperatura resulta especialmente benéfico en
los concretos usados en estructuras masivas. Entre más elevada es la proporción
de cenizas más bajo es el calor de hidratación pero este aumenta con la finura de
la ceniza
67
Se ha visto y así lo han demostrado las experiencias brasileñas y americanas, que
el empleo de la ceniza volante disminuye la rata de generación de calor en los
primeros tiempos. El reemplazo del causante de generación de calor (cemento)
por un material que es inerte y que reacciona lentamente con él o con sus
productos hidratados (ceniza volante) deberá necesariamente reducir la rata a la
cual el calor se desarrolla cuando el concreto fragua.
5.2.1.7. Exudación y fraguado
El uso de cenizas volantes, puzolanas naturales y escorias granuladas de alto
horno molidas generalmente provoca retardos en el tiempo de fraguado del
concreto. El grado de retardo en el fraguado depende de los factores tales como la
cantidad de cemento Pórtland, el contenido de agua, el tipo del material finamente
dividido, y la temperatura del concreto.
Debido al bajo contenido de agua, los rangos de exudación del concreto con alto
volumen de ceniza volante son muy bajos. Por consiguiente, debe tomarse
cuidados apropiados, para prevenir la retracción plástica de la superficie
inmediatamente después de colocado el concreto. El tiempo de fraguado para este
concreto es, en general, algo más largo que para un concreto convencional hecho
con cemento Pórtland exclusivamente. Esto se espera si es considerado el bajo
contenido de cemento, el proceso de reacción lento de la ceniza volante, y las
grandes cantidades de súperplastificante usadas. En general, el concreto con alto
volumen de ceniza volante no muestra retraso inaceptable en el tiempo de
fraguado, y demuestra la resistencia adecuada a 1 día (Carette, Bilodeau, &
Chevrier, 1993) . Sin embargo, se requiere especial cuidado y medidas en tiempo
frío ya que la combinación del bajo contenido de cemento, los súper plastificantes,
y la temperatura baja producirán retraso significante en el fraguado y la resistencia
a temprano edad (Bilodeau & Malhotra, 2000) .
68
El tiempo de fraguado del concreto con alto volumen de ceniza volante puede ser
reducido potencialmente usando cemento ASTM Tipo III en lugar del Tipo I. Sin
embargo, esto puede compensarse en parte por las dosificaciones más altas de
súperplastificantes en las mezclas que incorporan el cemento ASTM Tipo III
(Bilodeau & Malhotra, 1995).
5.2.1.8. Proporcionamiento
Los aditivos minerales finamente divididos se agregan al concreto como una
adición o para sustituir parcialmente al cemento en el concreto o bien como una
combinación de adición y sustitución. El empleo de estos aditivos como sustitutos
de cemento puede reducir sustancialmente las resistencias del concreto a edad
temprana y a 28 días si se proporcionan rígidamente como un reemplazo del
cemento más que como una combinación.
5.2.1.9. Resistencia
La ceniza volante, la escoria granulada de alto horno molida, el humo de sílice y
otros aditivos minerales finamente divididos, contribuyen a la adquisición de
resistencia del concreto. Sin embargo, la velocidad en la adquisición de resistencia
de un concreto que contenga estos aditivos, variará con frecuencia respecto de la
de un concreto que emplee exclusivamente cemento Pórtland como material
cementante. La resistencia a la tensión, a la flexión y a la torsión se ve afectada de
igual manera que la resistencia a la compresión. Debido a la menor velocidad de
hidratación cuando se emplean algunos de estos aditivos, la adquisición de
resistencia a edades tempranas puede ser menor que la de un concreto
comparable sin el aditivo, especialmente si las temperaturas de curado son bajas.
Debido a la lenta reacción puzolánica de algunos aditivos minerales, puede llegar
a ser necesario un período de curado húmedo continuo con temperaturas de
curado favorables mayor del que normalmente se requiere. El humo de sílice
69
también contribuye a la adquisición de resistencia a edad temprana de los
concretos con ceniza volante.
Los aditivos minerales son a menudo esenciales para producir concretos de alta
resistencia. Se han utilizado cenizas volantes especialmente en la producción de
concreto de alta resistencia de entre 400 y 1000 kg/cm2. O más si se hace uso de
agregados adecuados y de un aditivo reductor de agua de alto rango.
5.2.1.10. Resistencia al ataque químico
El concreto libera cantidades considerables de cal que son atacadas por agentes
químicos como sulfatos, sodio, magnesio y otras sales metálicas que se hallan
comúnmente en los desperdicios industriales. El azufre en forma de (SO y S)
también ataca químicamente al concreto.
Las alcantarillas domésticas de concreto también están sometidas al ataque
químico por el ácido sulfúrico que se forma cuando el ácido sulfhídrico hace
contacto con la superficie superior húmeda de la tubería. Los alcantarillados
industriales y los tanques de conservas también son ejemplos de ataque químico
al concreto.
En estos casos y aún en casos extremos el empleo de "ceniza volante" aumenta la
durabilidad. En ella se observan las ventajas que ofrece el empleo de ceniza
volante aún con el uso de aditivos inclusores de aire. La presencia de la ceniza,
que actúa como puzolana reaccionando con la cal hidratada liberada en la
reacción agua - cemento, que es el elemento afectado directamente por el ataque
químico, hace que este se minimice por lo cual se recomienda el uso de la ceniza
en las mezclas de concreto que puedan estar sometidas al ataque químico.
70
5.2.1.11. Permeabilidad y absorción
Uno de los atributos de las mezclas "ceniza volante - cemento" en diques, muros
de contención, muros de fundación bajo el nivel freático y tanques, es que el agua
no pasa a través de ellas. Obviamente si hay cal libre en la mezcla, como sucede
en las mezclas ordinarias, el agua puede disolverla y sacarla a la superficie
dejando el concreto permeable. Con la adición de "Ceniza Volante" este problema
se reduce considerablemente pues la formación de compuestos insolubles por la
reacción "ceniza - cal " disminuye ampliamente la permeabilidad de la mezcla.
Un curado adecuado produce que las cenizas volantes y las escorias de alto horno
generalmente reducen la permeabilidad del concreto aun cuando el contenido de
cemento sea relativamente bajo; a este respecto, el humo de sílice es
especialmente efectivo. La permeabilidad del concreto disminuye conforme
aumenta la cantidad de material cementante hidratado y disminuye la relación
agua cemento. La absorción de un concreto con ceniza volante casi es la misma
de un concreto sin ceniza, aunque algunas cenizas pueden reducir la absorción en
un 20 % o más.
5.2.1.12. Asentamiento, contenido de aire y dosificación de las mezclas
En el concreto, los asentamientos se ajustan variando las dosificaciones de un
aditivo súperplastificante. La dosificación de un súper plastificante puede variar,
dependiendo considerablemente de las características del cemento y la ceniza
volante usados. Este tipo de concreto también se ha usado con niveles muy bajos
de súperplastificantes, e incluso sin asentamiento, para las aplicaciones de
concretos compactados con rodillo.
71
Como en el caso del súperplastificante, la dosificación de inclusores de aire en la
mezcla se ve fuertemente influenciada por las características de la ceniza volante
y de los cementos usados.
Las inclusiones de escoria molida, ceniza volante, y humo de sílice en concretos
sin aire incluido generalmente reducen la cantidad de aire atrapado. La ceniza
volante y el humo de sílice normalmente muestran un mayor efecto en esta
reducción que la escoria molida.
5.2.1.13. Curado
Es importante realizar un curado adecuado para el concreto con alto volumen de
ceniza volante. Para asegurar el desarrollo satisfactorio de resistencia inicial,
permeabilidad baja, y la resistencia a largo plazo a los medios agresivos, es
esencial que el concreto se proteja del secado prematuro durante el curado por un
período adecuado de tiempo. La duración del tiempo de curado dependerá de las
condiciones de exposición. En general, un periodo de curado de siete días debe
ser adecuado. Por ser más lentos en ganar resistencias los concretos con ceniza
volante deben ser curados por un tiempo mayor que los concretos convencionales.
5.2.1.14. Durabilidad en el ambiente marino
Se han expuesto prismas de concreto con alto volumen de ceniza volante, de
305x305x915mm de tamaño, al ambiente marino en la Isla Treat, desde 1987.
Los prismas se posicionan al nivel medio de la marea para que sean expuestos
alternativamente a una atmósfera marina y a la inmersión en el agua del mar. Dos
veces al día se tendrán condiciones alternas de inmersión y secado resultado de
la exposición en dos ciclos de humedecimiento y secado, y encima de 100 ciclos
de congelamiento – descongelamiento del concreto durante el invierno. Después
de 8 años de exposición, los prismas de concreto con alto volumen de ceniza
72
volante con una relación agua cemento de 0.31 estaban en una condición
excelente pero los prismas de concreto con una relación agua / cemento de 0.35
mostraban algunas escamaduras en la superficie. Basado en la experiencia del
laboratorio, se recomienda que para este tipo de exposición muy severa como la
de Isla Treat, el empleo de relaciones agua / cemento del concreto con alto
volumen de ceniza volante cuyo valor no debe exceder de 0,32 (Malhotra &
Bremner, 1996).
5.2.1.15. Control de la expansión debido a la reacción álcali–agregado ars
La expansión del concreto debido a la reacción entre los álcalis del cemento y
ciertos tipos de sílice reactivos en los agregados es un problema serio que se da
en países como Canadá, los EE.UU. y otros países. Pruebas extensas realizadas
por CANMET han mostrado que el uso de concreto con alto volumen de ceniza
volante puede reducir eficazmente la expansión debida a la reacción de álcali-
sílice (ASR). Esto se ha demostrado por algunos métodos de prueba realizados en
concretos hechos con los agregados reactivos conocidos. La reducción de la
expansión por ASR en el concreto con alto volumen de ceniza volante, es debida
al reducido contenido de cemento, la permeabilidad baja de este tipo de concreto,
la reducción en el pH de la solución por el consumo del cemento Pórtland, y los
cambios en C/S del CSH (silicatos cálcicos hidratados = gel de Tobermorita) que
permiten atrapar más álcalis en el CSH.
5.2.1.16. Resistencia a la penetración del ión cloruro
El concreto con alto volumen de ceniza volante muestra una resistencia muy alta a
la penetración de iones del cloruro, en pruebas realizadas según ASTM C 1202
(Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist
Chloride Ion Penetration). Su resistencia es considerablemente más alta que la del
concreto con cemento Pórtland convencional de resistencia a compresión similar.
73
La adición de cantidades pequeñas de humo de sílice al concreto con alto
volumen de ceniza volante puede aumentar su resistencia a la penetración del ión
cloruro y puede hacerla muy alta.
5.2.1.17. Resistencia a descongelamiento por incrustaciones de sal
Aunque el concreto con alto volumen de ceniza volante se desempeña
excelentemente cuando es sometido a ciclos repetidos de congelamiento –
descongelamiento, su desempeño en las pruebas de descongelamiento por
incrustaciones de sal realizadas por CANMET de acuerdo con ASTM C 672
(Standard Test Method for Scaling Resistance of Concrete Surfaces Exposed to
Deicing Chemicals) deja algo que desear. La mezcla control de concreto con
cemento Pórtland convencional, hecho con la misma relación agua / cemento y el
mismo volumen de materiales cementantes, ha mostrado una buena resistencia
con una valoración visual de 1. Sin embargo, otros investigadores han mostrado
que el concreto con alto volumen de ceniza volante puede cumplir adecuadamente
la prueba de descongelamiento por incrustaciones de sal.
En este aspecto, los autores no recomiendan el uso de concreto con alto volumen
de ceniza volante para aplicaciones dónde el concreto se exponga severamente a
descongelantes químicos, aunque se cree que el problema es menos serio que lo
encontrado en las investigaciones del laboratorio. Se requiere una investigación
extensa en esta área.
5.2.1.18. Resistencia a ciclos de congelamiento y descongelamiento
El concreto con alto volumen de ceniza volante con inclusores de aire, muestra
buena resistencia a los ciclos repetidos de congelamiento y descongelamiento.
Incluso después de 1000 ciclos en la prueba ASTM C 666 (Standard Test Method
for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing), los factores de
74
durabilidad son de más de 90; los concretos con cemento Pórtland convencional y
con inclusores de aire se consideran aceptables si pueden resistir 300 ciclos en la
prueba anterior. Como en el concreto convencional, la durabilidad a los ciclos de
congelamiento y descongelamiento, en el concreto con alto volumen de ceniza
volante depende de la calidad de sus factores de espaciamiento. Se hace énfasis
en esto, ya que ninguna dificultad se encontró obteniendo los factores de
espaciamiento adecuados en el concreto con alto volumen de ceniza volante.
Entiéndase factor de durabilidad, como la medición de las diferencias en las
propiedades de un material en el tiempo, como respuesta a la exposición o a la
influencia de algo que puede expresar deterioro, usualmente expresado como un
porcentaje del valor de la propiedad antes de la exposición.
5.2.1.19. Menores hinchamientos y contracciones
Uno de los fenómenos que ocurre a veces y que es muy dañino para las mezclas
de concreto es una hinchazón de está producida por la reacción cemento-
agregado La ceniza volante es muy efectiva en la reducción de estas hinchazones
pero aún se recomienda hacer ensayos de laboratorio de las normas
especificadas por La ASTM o cualquiera otras para el control de la reacción
"agregado-cemento". Esto es especialmente importante para carreteras
pavimentadas con lozas de concreto, las que se quiebran rápidamente cuando se
presenta este fenómeno. Otra ventaja que ofrece la inclusión de Ceniza Volante
en las mezclas es que las contracciones de estas se reducen al mínimo Lo cual es
muy útil en la colocación de maquinaria.
Una mezcla de Ceniza Volante y cemento es mejor que el cemento solamente.
Durante la hidratación del cemento de Pórtland, la cal se emite, alista libremente
para lixiviar lejos. Por sí mismo la cal es dañosa pero en la presencia de Ceniza
Volante la cal libre reacciona con las puzolanas para formar un material de
75
cemento que agrega fuerza e impermeabilidad a la estructura que resulta. El pozo
se sella mejor que reduce al mínimo la migración de líquidos a través de la
cubierta y resiste más fuertemente las presiones internas y externas,
proporcionando la mejor clase de protección de la cubierta.
76
6. MARCO NORMATIVO
6.1. NORMAS COLOMBIANAS
En Colombia el ente regulador es el Instituto Nacional de Normas Técnicas
ICONTEC:
Tabla 10 Normas ICONTEC
Número de la
norma
Nombre Documento de
referencia
NTC 396 Ingeniería Civil y Arquitectura. Método de ensayo para determinar
el asentamiento del concreto.
NTC 454 Concreto Fresco. Toma de muestras.
NTC 504 Ingeniería Civil y Arquitectura. Refrentando de especímenes
cilindros de Concreto.
NTC 550 Concretos. Elaboración y curado de especímenes de concreto en
obra.
NTC 673 Concretos. Ensayo de resistencia a la compresión de cilindros
normales de Concreto.
NTC 890 Ingeniería civil y Arquitectura. Determinación del tiempo de
fraguado de mezclas de concreto por medio de su resistencia a la
penetración
NTC 1028 Ingeniería civil y Arquitectura. Determinación del contenido de aire
en concreto fresco. Método Volumétrico.
NTC 1032 Ingeniería civil y Arquitectura. Método de ensayo para la
determinación del contenido de aire en el concreto fresco. Método
de Presión.
NTC 3459 Concretos. Agua para la elaboración de concreto.
NTC 4025 Concretos. Método de ensayo para determinar el módulo de
Elasticidad estático y la relación de Poisson en concreto a
Compresión.
NTC 3502 Ingeniería civil y Arquitectura. Aditivos incorporadores de aire para
concreto.
NTC 1299 Concretos. Aditivos químicos para el concreto.
77
Número de la
norma
Nombre Documento de
referencia
NTC 4637 Concretos. Especificaciones para el uso de microsílica como
adición en mortero y concreto de cemento hidráulico.
NTC 4023 Especificaciones para aditivos químicos usados en la producción
de concreto Fluido.
NTC 174 Concretos. Especificaciones de los agregados para concreto. ASTM C33/C33M-13
NTC 3318 Concreto Premezclado ASTM C94/C94-15
Método de ensayo para evaluar el desempeño a la flexión del
concreto reforzado con fibras (usando vigas cargadas en el tercio
medio)
ASTM C1609 / C1609M
- 12
NTC 3658 Método para la obtención y ensayo de núcleos extraídos y vigas
de concreto aserradas.
ASTM C42/C42M - 13
NTC 385 Terminología relativa al concreto y sus agregados ASTM C125–15
NTC 5541 Concreto reforzado con fibra ASTM C1116:2003
NTC 3828. Cementos. Método de ensayo para la determinación de la
reactividad potencial álcali. Agregado de las mezclas de cemento.
Agregado por el método de barras de mortero
ASTM C227 – 10
ASTM C 1567:2013
Obtención y ensayo de núcleos perforados de hormigón
proyectado
ASTM C1604/C1604M
- 05 (Reapproved 2012)
NTC 98 Método de ensayo para determinar la resistencia al desgaste por
abrasión e impacto de agregados gruesos menor de 37,5 mm,
utilizando la máquina de los ángeles.
ASTM C131-2014
NTC 1512 Cementos. Ensayo Químico Para Determinar La Actividad
Puzolanica.
COPANT, 1978. 4p. il.
NTC 5784 Método Para Determinar La Fluidez De Morteros De Cemento
Hidráulico.
ASTM C1437:2013
NTC 31 Cemento. Definiciones ASTM C219-07
NTC 107 Cementos. Método Para Determinar La Expansión En Autoclave
Del Cemento Portland.
ASTM C151
NTC 184 Cementos. Métodos de análisis químico de los cementos
hidráulicos.
ASTM C114-13
NTC 3330 Cementos. Método de ensayo para determinar el cambio
longitudinal de morteros de cemento hidráulico expuestos a una
solución de sulfatos.
ASTM C1012:13
NTC 3823 Muestreo y ensayo de cenizas volantes o puzolanas naturales
para uso como aditivo mineral en el concreto de cemento
portland.
ASTM C311:13
NTC 3493 Cenizas volantes y puzolanas naturales, calcinadas o crudas, ASTM C618:2012ª
78
Número de la
norma
Nombre Documento de
referencia
utilizadas como aditivos minerales en el concreto de cemento
portland.
NTC 4018 Escoria de alto horno granulada y molida para uso en concretos y
morteros
ASTM C989-C989M-
2014
NTC 225 Cementos. Método de ensayo para determinar el fraguado rápido
del cemento hidráulico (método del mortero)
ASTM C359:2013
NTC 112 Cementos. Mezcla mecánica de pastas de cemento hidráulico y
morteros de consistencia plástica.
Diseño directo para tubería de concreto prefabricada enterrada
utilizando instalaciones estándar.
NTC 3789 Secciones de Cámaras de Inspección Prefabricadas en Concreto
Reforzado
ASTM C478
Instalación de Tubos de Concreto Prefabricado para
Alcantarillados Pluviales y Sanitario Mediante el Método Indirecto
ASTM C1479-13
NTC 1328 Juntas flexibles para la unión de tubos circulares de concreto ASTM C 1619-11
Fuente: Elaboración propia
6.2. NORMAS DE ESTADOS UNIDOS
La entidad normativa es la Sociedad Americana de los Materiales de Prueba
(ASTM American Society Foro Testan And Materials):
Tabla 11 Normas ASTM
Número de la norma Nombre
ASTM C 593 Las Cenizas Volantes y otras puzolanas para el uso con la cal
ÁSTM C 618 Especificación estándar para las cenizas volantes del carbón y Puzolana natural
crudo o calcinado para el uso como adición mineral en concreto
Fuente: Elaboración propia
Asociación americana de los funcionarios de la carretera y del transporte del
estado (AASHTO American Association of State and Highway Transportation
Officials):
79
Tabla 12 Normas AASHTO
Número de la norma Nombre
AASHTO M-295 Especificaciones estándares para las cenizas volantes del carbón y Puzolana
natural crudo o calcinado para el uso como adición mineral en concreto del
cemento de Pórtland.
Fuente: Elaboración propia
Instituto Americano del Concreto (ACI American Concrete Institute):
Tabla 13 Normas ACI
Número de la norma Nombre
ACI 211.4R Guía para seleccionar las proporciones en el concreto de alta resistencia con el
cemento Pórtland y las cenizas volantes.
ACI 232.2R Uso de las cenizas volantes en el concreto
Fuente: Elaboración propia
6.3. NORMAS DE ESPAÑA
De las normas en España se encarga AENOR (Asociación Española de
Normalización y Certificación) Teniendo la siguiente aclaración para las normas a
mencionar.
Cuando un material o método de ensayo requiera que se cumpla una Norma
Española (UNE) este requisito será igualmente satisfecho cumpliendo la
correspondiente Norma Nacional de cualquier Estado Miembro de la Comunidad
Económica Europea, siempre que la Norma en Cuestión ofrezca las mismas
garantías de seguridad que las ofrecidas por la Norma UNE.
80
Tabla 14 Normas UNE
Número de la norma Nombre
UNE-EN 450:1995 Cenizas volantes como adición al hormigón. Definiciones, especificaciones y
control de calidad.
UNE-EN 451-1:1995 Métodos de ensayo de cenizas volantes. Parte 1: Determinación del óxido de
calcio libre. (Versión oficial EN 451-1:1994).
UNE-EN 451-2:1995 Métodos de ensayo de cenizas volantes. Parte 2: Determinación de la finura por
tamizado en húmedo.
UNE 80225:1993 Métodos de ensayo de cementos. Análisis químico. Determinación del dióxido de
silicio (SiO2)
UNE 83414:1990 Adiciones al hormigón. Cenizas volantes. Recomendaciones generales para la
adición de cenizas volantes a los hormigones fabricados con cemento Tipo I.
UNE 83421:1987 Adiciones al hormigón. Cenizas volantes: Toma, preparación, conservación y
transporte de las muestras.
UNE 83431:1992 Adiciones al hormigón. Cenizas volantes: Determinación de la humedad.
UNE 83432:1986 Adiciones al hormigón. Cenizas volantes: Determinación de sulfatos expresados en
S03 por método gravimétrico.
UNE 83433:1986 Adiciones al hormigón. Cenizas volantes: Determinación de la pérdida por
calcinación.
UNE 83450:1986 Adiciones al hormigón. Cenizas volantes: Determinación de la finura.
UNE 83451:1986 Adiciones al hormigón. Cenizas volantes: Determinación del índice de actividad
resistente con cemento Portland.
UNE 83452:1988 Adiciones al hormigón. Cenizas volantes Demanda de agua relativa de una ceniza
volante mezclada con cemento Portland en forma de mortero.
UNE 83453:1988 Adiciones al hormigón. Cenizas volantes: Determinación de la estabilidad de
volumen por el método de Le Chatelier.
Fuente: Elaboración propia
6.4. NORMAS DE PERÚ
En Perú al igual que en Colombia es la misma norma ASTM 618 lo que cambia
son las normas para los métodos de ensayo que son varias, el ente encargado es
el INDECOPI.
81
Tabla 15 Normas NTP de INDECOPI
Número de la norma Nombre
NTP 334.055:1999 CEMENTOS. Método de ensayo para determinar el índice de actividad
puzolánica por el método de la cal. 2a edición
NTP 334.066:1999 CEMENTOS. Método de ensayo para determinar el índice de actividad
puzolánica utilizando cemento portland. 2a edición
NTP 334.104:2001 CEMENTOS. Adiciones minerales del hormigón (concreto) puzolana natural
cruda o calcinada y ceniza. Especificaciones.
NTP 334.127:2002 CEMENTOS. Adiciones minerales del cemento y hormigón (concreto). Puzolana
natural cruda o calcinada y ceniza volante. Método de ensayo.
NTP 334.144:2004 CALES. Cal hidratada para su uso con puzolanas. Requisitos
NTP 334.150:2004 CALES. Puzolanas y ceniza volante para su uso con cal. Requisitos y métodos
de ensayo.
Fuente: Elaboración propia
6.5. URUGUAY
En Uruguay está el Instituto Uruguayo de Normas Técnicas (UNIT) el cual
normaliza las siguientes normas
Tabla 16 Normas UNIT
Número de la norma Nombre
UNIT 1035: 1998 Materiales Puzolánicos. Determinación de Actividad Puzolánica. Índice de
Actividad Puzolánica con Cemento
UNIT 1038: 1999 Materiales Puzolánicos. Método de Determinación de la Eficacia en Disminuir la
Expansión del Hormigón Debido a la Reacción Alcalí-agregado
UNIT 1039: 1999 Materiales Puzolánicos. Determinación de la Variación de la Retracción por
secado debido a la Utilización de Materiales Puzolánicos.
UNIT 1047: 1999 Materiales Puzolánicos. Definiciones y Requisitos.
Fuente: Elaboración propia
6.6. MÉXICO
El encargado en México es Organismo Nacional de Normalización y Certificación
de la Construcción y Edificación, S.C. (ONNCCE).
82
Normas Mexicanas de la serie “c” (nmx-c) materiales de construcción
Tabla 17 Normas NMX de ONNCCE
Número de la norma Nombre
NMX-C-146-ONNCCE-2000
Cancela y sustituye a la
NMX-C-146-1983
Industria de la construcción - Aditivos para concreto – Puzolana natural cruda
o calcinada y ceniza volante para usarse como aditivo mineral en concreto de
cemento portland-Especificaciones.
NMX-C-179-1983 Industria de la construcción - Ceniza volante o puzolana natural para usarse
como aditivo mineral en concreto de cemento portland - Muestreo y pruebas.
Fuente: Elaboración propia
83
7. INVESTIGACIONES Y TESIS REALIZADAS
Entre la bibliografía obtenida fue posible encontrar experiencias de investigadores
internacionales y nacionales que llevaron a cabo estudios experimentales acerca
de la ceniza volante en las mezclas del concreto, la resistencia a la compresión y
en general a sus propiedades físicas y químicas.
En particular, se encuentran muchos artículos de investigación en las memorias de
los Congresos Internacionales de Concreto de Alto Comportamiento patrocinados
por el American Concrete Institute, así como en las memorias del Congreso
Internacional sobre Ceniza Volante, Humo de Sílice, Escoria y Puzolanas
Naturales en el Concreto patrocinado por el Canada Center for Mineral and Energy
Technology (CANMET).
Debido a que estos artículos o publicaciones son difíciles de conseguir, y su
divulgación es poco frecuente en nuestro medio, se decidió realizar una
descripción de algunos de ellos, algunos por ser cortos se transcribieron
textualmente.
7.1. INVESTIGACIÓN 1. Utilización de desechos del carbón: construir a
partir de las cenizas
Autor: Alejandro Salazar, investigador de la Universidad del Valle, AUPEC
(Agencia Universitaria de Periodismo Científico)
El empleo de las cenizas en la elaboración de cementos y ladrillos, se constituye
en una alternativa para evitar el deterioro del medio ambiente.
84
Si Colombia aprovechara en la industria de la construcción, las 800 mil toneladas
de cenizas que desechan anualmente las termoeléctricas del país, se contribuiría
a evitar el deterioro del medio ambiente. La utilización de las cenizas en las
fábricas de cemento para la producción concreto y ladrillo, evitaría que
permanezcan en los depósitos de las termoeléctricas. "Allí son amontonadas y
ubicadas al aire libre, lo que es peligroso porque su contacto con el agua, el suelo
o el aire, genera graves problemas de contaminación", explica Alejandro Salazar,
investigador de la Universidad del Valle, y director del primer estudio realizado en
el país sobre el manejo y posibilidades de uso de las cenizas.
Las zonas aledañas a las termoeléctricas que presentan mayor deterioro
ambiental se encuentran ubicadas en Paipa, Zipaquirá, Guajira y Tasajero; en
estas regiones no existe ningún control técnico para el almacenamiento de los
residuos sólidos del carbón.
En países como Inglaterra, Francia, Alemania y Estados Unidos, ya se emplean
las cenizas en la producción de cementos. Sin embargo, expresa el investigador,
en Colombia este enfoque es nuevo porque hay poco conocimiento sobre las
aplicaciones de los residuos de carbón y sus posibilidades de comercialización.
Esa es precisamente la propuesta planteada por la investigación realizada en la
Universidad del Valle, para que las empresas de generación eléctrica que
funcionan con base en carbón, procesen las cenizas para venderlas
posteriormente a las fábricas de materiales para la construcción.
7.1.1. Daños al ecosistema
Los residuos sólidos del carbón, tradicionalmente llamados cenizas, han sido
considerados como material de segunda y como tal han sido tratados, generando
graves problemas de contaminación en las zonas cercanas a las termoeléctricas.
85
El caso más grave se observó en Termopaipa (Boyacá), donde los depósitos de
cenizas fueron ubicados sobre los cauces antiguos del Río Chicamocha. Esto
significa que de presentarse una creciente el agua arrastraría las cenizas,
inundando la termoeléctrica; esto podría causar a su vez graves daños al lago
Sochagota y ocasionar una avalancha de lodo negro que afectaría a la población
de Paipa. Otro daño al medio ambiente se presentó en Termoguajira, donde las
cenizas -combinadas con agua de mar- fueron arrojadas a la única laguna de agua
potable de la región, provocando el deterioro del ecosistema.
En Termotasajero (Norte de Santander), se ubicaron los depósitos de cenizas en
un cañón por donde corren los vientos que llegan al pueblo de San Cayetano. Esto
ha ocasionado que la pequeña localidad permanezca cubierta de cenizas.
El complejo industrial que ha mostrado más interés por la disposición adecuada de
las cenizas es Termozipa (Cundinamarca), ubicada a un margen del Río Bogotá. A
partir de la siembra de árboles sobre las cenizas, esta empresa ha evitado que el
viento las arrastre a poblaciones aledañas.
"Sin embargo, esa es la solución menos mala, sostiene Alejandro Salazar, porque
la empresa no ha resuelto totalmente el problema de la contaminación de las
corrientes subterráneas que alimentan al río Bogotá". Esta se produce cuando
ciertos compuestos de las cenizas, que han entrado en contacto con las aguas
lluvias, penetran en la tierra, afectando la calidad de los recursos hídricos.
7.1.2. Una alternativa
Frente al problema de cuáles son las formas más adecuadas para el manejo de
las cenizas, la Universidad del Valle realizó un estudio pionero en Colombia, que
86
contó con la financiación del Instituto Colombiano de Energía Eléctrica, ICEL, con
un aporte de 244 millones de pesos.
Durante la investigación, que agrupó durante año y medio a 25 especialistas de
diferentes áreas, se tomaron muestras de las cenizas en cada una de las
termoeléctricas. Estas fueron analizadas en diferentes laboratorios, para
determinar sus diferentes calidades.
"Después se efectuaron pruebas en una planta piloto para determinar las
posibilidades de uso de las cenizas. Posteriormente, con el objetivo de plantear su
comercialización, realizamos un estudio sobre mercado y oferta de productos que
podrían elaborarse con las cenizas en todo el país", señala el investigador.
A partir de las recomendaciones técnicas se pretende elaborar una legislación que
evite el deterioro del medio ambiente, sostiene Alejandro Salazar. Sin embargo, la
aplicación de las normas que propone el estudio de la Universidad del Valle,
implica una inversión de 76 millones de dólares en 20 años.
Esto permitiría adecuar los terrenos para que sean capaces de soportar las 800
mil toneladas de cenizas que producen al año las termoeléctricas del país.
Una buena disposición de las cenizas, implica colocarlas en terrenos previamente
impermeabilizados, con el objetivo de evitar que a partir de su contacto con las
aguas lluvias, penetren en la tierra y afecten los recursos hídricos. "Para canalizar
estas aguas se construyen algunos vertederos, o acequias, con el propósito de
conducirlas a lugares donde puedan ser purificadas" explica Salazar.
Manipular adecuadamente las cenizas significa también poner taludes o
pendientes que eviten la acción expansiva del viento; "de aplicarse esta medida,
agrega el investigador, se solucionaría el problema de San Cayetano, localidad
87
que, como se dijo anteriormente, permanece cubierta por las cenizas procedentes
de la termoeléctrica de Tasajero".
Frente a la necesidad de evitar el deterioro del medio ambiente, el estudio de la
Universidad del Valle aporta soluciones viables desde el punto de vista técnico,
económico, ambiental y social para hacer uso del 100 por ciento de las cenizas,
puntualizó Alejandro Salazar.
7.2. INVESTIGACIÓN 2. Permeabilidad y durabilidad de concretos con
cemento puro y adicionado, curados en condiciones de campo y de
laboratorio.
Autor: por Huseyin Saricimen, Mohammed Maslehuddin, Abdulhamid J. Al-Tayyib
y Abdulaziz I. Al-Mana y publicada en “ACI Materials Journals”, Vol. 92, N. 2, pp
111-116, Marzo-Abril de 1995
7.2.1. Resumen
En esta investigación, fueron investigados los efectos del curado de campo y de
laboratorio sobre las características de permeabilidad y durabilidad en concretos
con cementos puros y adicionados. Las muestras en el campo fueron sometidos a
curado húmedo durante 7 días, mientras que las muestras de laboratorio fueron
curadas en agua hasta realizar la prueba.
Los ensayos de penetración de agua y absorción fueron usados como indicadores
de la permeabilidad del concreto. Las variables de investigación incluyeron, tipo de
cemento (cemento puro y mezclado con Ceniza Volante), tamaño de la muestra y
condiciones de curado. Los resultados indicaron que los curados húmedos más
largos son útiles en la producción de concretos densos e impermeables usando
88
cementos puros y mezclados. La permeabilidad al agua en secciones gruesas fue
más baja que en muestras delgadas.
Independientemente del proceso de curado seguido, los concretos de cemento
con Ceniza Volante mostraron permeabilidades más bajas que concretos con
cemento puro, después de una semana de curado. Estos resultados indican que el
uso de puzolanas caracterizadas apropiadamente en concretos de cementos
puede llevar a un beneficio económico y tecnológico, incluso en situaciones en
donde el concreto no puede ser adecuadamente curado debido a las altas tasas
de evaporación.
7.2.2. Resultados
Las muestras de concreto con Ceniza Volante fueron menos permeables que las
muestras de concreto con cemento puro curados de forma similar desde los
periodos de prueba iniciales de 7 días en casi todos los casos. Los resultados de
esta investigación indican que el uso de puzolanas caracterizadas apropiadamente
pueden llevar a un beneficio económico y tecnológico, incluso en regiones áridas
donde el curado es frecuentemente muy inadecuado.
Como se esperaba, las muestras curadas en el laboratorio fueron menos
permeables que los bloques, cilindros y cubos curados en el aire en condiciones
de campo luego de los 7 días iniciales de curado húmedos. Este comportamiento
se observó en todas las muestras de concreto con los dos tipos, cemento puro y
cemento puzolánico.
El concreto con Ceniza Volante fue más sensible al curado pobre, especialmente
en componentes delgados, sin embargo, es particularmente importante poner
89
extrema atención en el curado de componentes de concreto delgado en ambientes
cálidos y secos.
7.3. INVESTIGACIÓN 4. Desempeño y correlación de las propiedades del
concreto con adición de ceniza volante.
Autor: Al-Amoudi, O.S.B., Maslehuddin, M., y Asi, I. M.; y publicada en “Cement,
Concrete and aggregates”, Vol. 28, No. 2, 1996, pp. 71-77
7.3.1. Resumen
Esta investigación fue llevada a cabo para evaluar el comportamiento de las
muestras de concreto con ceniza volante hecha por reemplazo en los niveles de
cemento de 0, 10, 20, 30 y 40% (Según ASTM C618).
La resistencia a la compresión, porosidad y permeabilidad al agua, fueron
determinados después de 28, 90, 180 y 360 días de curado en agua.
Los datos resultantes fueron analizados estadísticamente para determinar las
relaciones entre las diferentes propiedades de concretos con cementos puros y
con Ceniza Volante.
Los resultados indicaron un mejor desempeño para el concreto con adición del
20% de Ceniza Volante, comparados con el concreto de cemento puro y aquellas
realizadas con otros niveles de reemplazo de Ceniza Volante. Fue observada una
buena correlación entre porosidad y resistencia a la compresión, y porosidad y
permeabilidad.
90
7.3.2. Resultados
El efecto de la relación Agua/Cementante y el periodo de curado sobre la
resistencia a la compresión, permeabilidad y porosidad fue determinada hasta los
365 días de curado para las muestras con adición de Ceniza Volante del 0, 10, 20,
30 y 40%. Los datos fueron analizados estadísticamente para desarrollar
correlaciones matemáticas entre estas propiedades.
La porosidad y permeabilidad del concreto con cemento puro fue menor que las
muestras de concreto con Ceniza Volante entre los 50 y 75 días del periodo inicial
de curado.
Después, las muestras de concreto con Ceniza Volante fueron menos permeables
que las muestras anteriores. El mejor desempeño, después de todo el periodo de
curado, se notó en las muestras de concreto con adición del 20% de Ceniza
Volante.
La resistencia a la compresión de muestras de concreto con cemento puro, fue
más alto que las muestras de concreto con Ceniza Volante hasta los 180 días de
curado. Sin embargo, un comportamiento inverso en esta tendencia se observó
después de este periodo de curado.
Una buena correlación entre porosidad, permeabilidad y resistencia a la
compresión fue observada.
Usando unas relaciones estadísticas desarrolladas en esta investigación, una
estimación apropiada de alguna de las propiedades, a saber porosidad,
permeabilidad y resistencia a la compresión, puede ser hecha sabiendo cualquiera
de ellas. Una muy importante característica de estas relaciones es que son
independientes del diseño de las mezclas y periodo de curado.
91
7.4. INVESTIGACIÓN 6. Hormigones alcalinos exentos de cemento portland
Autor: Realizada por Ana María Fernández-Jiménez, Angel Palomo. Cecilio López
Hombrados
Revista Ingeniería de Construcción de la Pontificia Universidad Católica de Chile
volumen 18 N°3 (octubre - diciembre 2003)
7.4.1. Resumen
Actualmente el hormigón con cemento portland es el material de construcción por
excelencia. Sus propiedades mecánico-resistentes, su buena relación
calidad/precio, sus prestaciones, en general, han contribuido a ello. No obstante el
proceso de fabricación del cemento Pórtland conlleva ciertos problemas
energéticos (se necesitan alcanzar temperaturas superiores a 1400-1500ºC) y
medioambientales (la obtención de materias primas ocasiona la destrucción de
canteras naturales y la fabricación del clínker da lugar a la emisión de diferentes
gases -CO2, NOx, etc.- a la atmósfera) de los que la sociedad se está haciendo
eco cada vez con más intensidad. Por otro lado el hormigón tradicional presenta
conocidos problemas de durabilidad, en estos tiempos difíciles de resolver.
7.4.2. Resultados
Se elaboraron hormigones con cementos alcalinos en los que el cemento Pórtland
se sustituye al 100% por ceniza volante y el agua de amasado por una disolución
alcalina. Estos nuevos hormigones pueden alcanzar valores de resistencia
mecánica a compresión del orden de 50 - 60 MPa a las 20 horas de su amasado.
Son materiales con una gran estabilidad de volumen (apenas sufren retracción), y
se espera de ellos una buena durabilidad, dada su similitud composicional con las
ceolitas naturales, (resistencia al ataque por sulfatos, a la carbonatación, a la
92
reacción árido-alcali, a la corrosión de las armaduras, etc.). Su precio, finalmente,
es competitivo con el hormigón del cemento Pórtland y su aplicación en la
industria de los prefabricados se promete inmediata y muy eficaz.
7.5. INVESTIGACIÓN 7. Propiedades de lechadas de cemento fabricadas
con cementos de tipo i y mezclas con cenizas volantes (cv) y humo de
sílice (hs)
F. Amahjoura, J. Payáb, P. Pardoc, M.V. Borracherob
a) Instituto Técnico de la Construcción, S.A. – Valencia. b) Grupo de Investigación
en Química de Materiales de Construcción (GIQUIMA). Departamento de
Ingeniería de la Construcción, Universidad Politécnica de Valencia. c)
Departamento de Geología - Universidad de Valencia
7.5.1. Resumen
En el presente trabajo se investiga la influencia de la incorporación de adiciones
como la ceniza volante y humo de sílice sobre las características de las lechadas
de cemento tales como la fluidez, exudación, variación de volumen, y las
resistencias mecánicas a compresión Rc. También se estudia mediante Análisis
Termogravimétrico (ATG) y por Difracción de Rayos X (DRX), la relación entre la
Rc y el desarrollo y la formación de los compuestos hidratados. La incorporación
de puzolanas a las lechadas en niveles de sustitución elevados (30%), permite la
reducción en el consumo de cemento, sin sacrificar las propiedades básicas del
producto final.
93
7.5.2. Resultados
Del análisis de los resultados, se puede concluir:
La sustitución de cemento por CV o por mezcla CV/HS permite fabricar lechadas
con mayor fluidez, aunque la exudación y la variación de volumen se incrementan
sensiblemente.
El efecto reductor de demanda de agua por parte de la CV permite obtener
lechadas con menores relaciones agua/conglomerante, y valores de fluidez altos,
evitando los fenómenos de exudación y retracción.
Las resistencias mecánicas a compresión alcanzadas por las lechadas con
puzolanas son más elevadas de lo que cabría esperar por el contenido en
cemento de las mismas y por la elevada relación agua/cemento, demostrando el
papel efectivo en el desarrollo de microestructuras resistentes activadas por la
presencia de puzolanas.
Se ha demostrado, a través de los análisis temogravimétricos, que existe un efecto
muy importante en la aceleración de la hidratación del cemento cuando está
presente la CV, mientras que el efecto puzolánico del HS queda enmascarado por
ese fenómeno de aceleración.
La incorporación de puzolanas a las lechadas en niveles de sustitución elevados
(30%), permite la reducción en el consumo de cemento, sin sacrificar las
propiedades básicas del producto final.
94
7.6. INVESTIGACIÓN 8. Evolución de las resistencias mecánicas de
sistemas ternarios cemento/ceniza volante/ceniza de lodo de
depuradora: efectos puzolánicos complementarios.
Autores: M.V. Borrachero, J. Payá, J. Monzó, M. Bonilla, I. Girbés.
Grupo de Investigación en Química de los Materiales de Construcción (GIQUIMA)
Depto. Ingeniería de la Construcción y de Proyectos de Ingeniería Civil
Universidad Politécnica de Valencia. Camino de Vera s/n 46071 Valencia
7.6.1. Resumen
Es bien conocida la reactividad de las cenizas volantes (CV) procedentes de las
centrales termoeléctricas de carbón. En la mayoría de los casos se trata de
residuos pulverulentos con características puzolánicas, que dosificados en
morteros y hormigones de cemento Pórtland producen un aumento relativo de las
resistencias mecánicas a tiempos largos de curado, normalmente en el período
60-365 días. Este hecho hace que sustituciones elevadas de cemento (C) por
ceniza volante (superiores al 30% en masa) produzcan conglomerantes de bajas
resistencias mecánicas en los primeros 28 días de curado. Sin embargo la
combinación con una segunda puzolana más reactiva, y de bajo coste, permitiría
alcanzar resistencias comparativamente más elevadas a edades más cortas,
manteniendo elevadas reducciones en el contenido en cemento y sin coste
económico adicional. La ceniza obtenida por incineración de lodos de depuradora
(CLD) de aguas residuales urbanas presenta las características idóneas de
reactividad y bajo coste (puesto que es un residuo con suficiente proporción de
contenido puzolánico). Por ello, parece el material adecuado para preparar
sistemas ternarios C/CV/CLD que den lugar a conglomerantes hidráulicos de bajo
coste y elevada resistencia mecánica a tiempos medios (28 días) y largos (90
días). En este trabajo se estudia este sistema ternario C/CV/CLD, analizando la
95
influencia de las dos contribuciones puzolánicas y el efecto complementario sobre
las resistencias a compresión y a flexotracción en morteros, en especial con
dosificaciones que impliquen grandes reducciones de contenido de cemento, con
el objeto de generar materiales de menor coste y que supongan niveles de
reutilización elevados.
7.6.2. Resultados
La ceniza de lodo de depuradora es un residuo que incorporado a morteros y
hormigones presenta una gran demanda de agua. La utilización de mezclas
CV/CLD corrige este efecto debido al carácter lubricante de las CV produciéndose
un aumento de la trabajabilidad respecto al mortero control.
Las mezclas en igual proporción de CV/CLD, incorporadas a morteros presentan
en general mayores resistencias mecánicas que los morteros con solo CV e igual
porcentaje total de sustitución. Para sustituciones de hasta un 30%, este efecto se
manifiesta sobre todo a tiempos cortos de curado (3 días). Para sustituciones
elevadas (50-60%), el efecto de la CLD se manifiesta notoriamente a 28 días de
curado, ya que la cal disponible es menor.
Si se produce un aumento de la temperatura de curado de los morteros (20 a
40°C), se produce mayores valores de resistencia mecánica en los morteros,
debido al incremento de la actividad puzolánica de los residuos.
En general, el carácter puzolánico de la mezcla CV/CLD es mayor 40°C y tiempos
cortos de curado que solo la CV. Este efecto se atenúa a tiempos largos de curado
y 40°C donde la ceniza volante actúa preferentemente.
96
7.7. INVESTIGACIÓN 9. Pautas para usar las cenizas volantes hidratadas
como base flexible
Investigador Principal: Javed I. Bhatty, CTL Otros Investigadores: Juan Gajda y F.
M. Molinero, CTL Encargado De Proyecto: Ronald H. Carty, ICCI
ICCI Número De Proyecto: 99-1/2.1A-1 De noviembre el 1 de 1999, al de octubre
31 de 2000. El departamento de Ingeniería Civil de la universidad del tech de
Tejas, la administración federal de la carretera (FHWA), y la Comisión de Tejas en
la calidad ambiental (TCEQ).
7.7.1. Resumen
El objetivo del proyecto era demostrar en una escala comercial, el uso de las
cenizas volantes del carbón de Illinois como componente crudo de la alimentación
y un suplemento en la fabricación del cemento de Portland. Durante nuestro
proyecto 1999 ICCI, este concepto fue probado con éxito en el laboratorio y las
escalas experimentales.
Esta demostración comercial de la escala implicó la participación del cemento de
Illinois, situada en La Salle, Illinois, usando las cenizas volantes del carbón de la
central eléctrica de Coffeen, situada en Coffeen, Illinois.
Antes de la demostración, las muestras de las cenizas volantes de Coffeen eran
analizadas para determinar valor de la composición y del combustible para
optimizar su uso en la alimentación cruda del cemento de Illinois. Los resultados
confirmaron que las cenizas volantes eran una opción apropiada para hacer la
escoria del cemento.
97
Las muestras de la escoria y del cemento fueron recogidas antes, durante, y
después de la quemadura de la demostración para la evaluación compositiva y
física. Las escorias fueron evaluadas usando técnicas analíticas para determinar
su composición de la fase. La examinación microscópica fue realizada para
observar la presencia y la distribución de las fases principales de la escoria.
Los cementos producidos durante la demostración fueron comparados con los
producidos antes y después la demostración de acuerdo con las pruebas descritas
en la especificación C 150 de ASTM. Los datos confirmaron que el cemento que
se produjo de la demostración tenía características comparables a las de los
cementos normalmente producidos. Además, el contenido del álcali del cemento
de la demostración fue reducido aproximadamente 20%, comparado al del
cemento normalmente producido.
El funcionamiento de la demostración realizó varias ventajas. El horno funcionó de
una manera más eficiente, más estable, y fiable. Consecuentemente, la planta del
cemento alcanzó ahorros aproximados de un combustible de 3,9% y la producción
de la escoria creciente en aproximadamente 9,7%. Durante la demostración, se
perfecciono el proceso operacional y los parámetros ambientales fueron
observados y sus mejoras fueron documentadas.
7.7.2. Investigación
El costo de transportar los materiales granulares para las bases flexibles puede
ser un factor importante en los costos de la construcción del pavimento. Las
fuentes de los agregados adecuados de la construcción son escasas en algunas
áreas de Tejas, y la construcción del pavimento requiere el transporte de
cantidades significativas de agregado al emplazamiento de la obra. Los altos
98
costos del transporte crean la necesidad de las fuentes alternativas del material
que están disponibles localmente.
Las cenizas volantes hidratadas un material tieso producidas por las cenizas
volantes pulverizadas de las centrales eléctricas del carbón curadas con humedad
puede ser utilizados para hacer el agregado para las bases flexibles. Las cenizas
volantes (curadas) hidratadas son tan tiesas que pueden lograr las fuerzas
compresivas de hasta el 15 MPa Con su reactividad natural, las cenizas volantes
fijarán en las reservas, uniformes en ausencia de curar organizado.
7.7.3. Resultados
Las cenizas volantes hidratadas son un material tieso que se puede machacar
para formar un agregado. Cuando están procesadas correctamente, las cenizas
volantes hidratadas continúan ganando fuerza después de la colocación y pueden
funcionar satisfactoriamente como una base del camino por un período extendido.
La información disponible sobre las cenizas volantes hidratadas aparece indicar
que tiene gran potencial como material de la base flexible.
Varios distritos como Amarillo, Childress, y Atlanta, han experimentado con las
cenizas volantes hidratadas como material de la base flexible. Se han desarrollado
las especificaciones especiales para poder utilizarlas experimental en distritos
donde están los materiales convencionales de la base flexible es una fuente muy
limitada.
Las especificaciones necesitan el desarrollo adicional en varias áreas incluyendo:
(1) demanda de riego, (2) condiciones de curado, (3) el mecanismo de enlace
entre la base de las cenizas volantes y las superficies flexibles hidratadas del
asfalto tales como capas del sello y el concreto asfaltico, y (4) el mecanismo de la
99
formación de productos cristalinos en las localizaciones en donde la base
hidratada de las cenizas volantes se expone a la humedad.
Este estudio rindió la caracterización del laboratorio de las cenizas volantes
disponible en el distrito de Amarillo, especificaciones del bosquejo y la dirección en
el uso del material hidratado de las cenizas volantes como base flexible, y un
análisis de costos y beneficios.
De acuerdo con los datos y experiencia limitada con las cenizas volantes en la
construcción de la base flexible, las siguientes observaciones pueden ser hechas:
Las cenizas volantes son extremadamente fuertes cuando están comparadas a las
clases triaxial de la especificación.
Las observaciones indican que las cenizas volantes machacada durante la
compactación y, consecuentemente, en las especificaciones no se pudieron haber
resuelto en la capa de la construcción. Sin embargo, esto aparecía haber tenido
poco impacto en la realización de densidad seca máxima.
La observación del campo encontró que las cenizas volantes experimentan la
hidración adicional después de la colocación, formando una capa tiesa, casi
homogénea. Por lo tanto, la adherencia terminante a la especificación de la
gradación puede no ser necesaria.
La compactación del laboratorio probada con las cenizas volantes hidratadas con
dos diversas gradaciones reveló que ambas gradaciones alcanzaron casi los
mismos valores máximos de la densidad seca, pero en diversos contenidos de
agua.
Las cenizas volantes pulverizadas hidratadas en los contenidos de una agua más
baja proporcionan fuerzas mucho más altas, dando por resultado una resistencia
100
mejor del agregado a la degradación. También, las cenizas volantes se deben
mezclar a fondo con agua durante el proceso de la hidratación.
Los agregados producidos usando contenidos de agua más arriba de la
hidratación tienen un peso de unidad más bajo y menos fuerza.
El cuidado debe ser tomado cuando las cenizas volantes se curan para
asegurarse de que logran el nivel requerido de la fuerza antes de que se muelan.
Si no, las cenizas volantes pueden no resolver las especificaciones para la
degradación y la durabilidad.
El cuidado debe ser tomado cuando las cenizas volantes se curan y durante la
construcción del camino para asegurarse de que no están permitidas secarse
excesivamente. Si sucede esto, las cenizas volantes formarán los compuestos
indeseables que pueden disminuir la durabilidad del material.
Las cenizas volantes hidratadas tienen una alta demanda del agua. Por lo tanto,
se debe hacer para la adherencia de soldadura subsecuente durante curado y la
construcción.
Las grietas de contracción pueden aparecer si las cenizas volantes no han
alcanzado una etapa avanzada de la hidratación en las charcas en que se
curaban.
7.8. TESIS 1. Comportamiento de tuberías de concreto frente a la acción
del ácido sulfúrico
Autor: Ing. Juan Manuel Lizarazo Marriaga
Trabajo final dirigido de Especialización en Estructuras
101
Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingenieria. Depertamento de
Ingenieria Civil Unidad Academica de Estructuras
7.8.1. Resumen
Las tuberías de concreto reforzado se proyectan en su gran mayoría para el
transporte y recolección de aguas residuales domésticas, industriales y pluviales,
generando ambientes muy agresivos que producen patologías de corrosión muy
fuertes. En este trabajo se estudió de manera bibliográfica y experimental el
ataque del ácido sulfúrico sobre las tuberías de hormigón. Con el objetivo de
evaluar el comportamiento de las tuberías de concreto frente a al ataque del ácido
sulfúrico se realizaron principalmente dos tipos de ensayos, uno sobre probetas de
concreto simple en el que se estudió el comportamiento del hormigón frente a la
acción de ácido y otro sobre probetas de concreto reforzado en el que se estudió
el comportamiento del acero de refuerzo frente a la acción del mismo agresivo.
Todos los ensayos se realizaron sobre probetas correspondientes a ocho mezclas
diferentes en las que se evaluaron dos marcas comerciales de cemento: “Samper”
y “Río Claro”. Se varió de la misma forma la relación agua cemento utilizándose un
valor de A/C: 0.53; y un valor de A/C: 0.43. Además se estudió el comportamiento
de la ceniza volante cuando se adiciona al concreto.
7.8.2. Conclusiones
Durante este trabajo, se pudo encontrar que los problemas de corrosión del
concreto debidos al ciclo del ácido sulfúrico dentro de la tubería no solo se
presentan exclusivamente en climas cálidos; si bien las altas temperaturas
aceleran el proceso, hay evidencias de este tipo de deterioro en climas templados
y fríos. En este trabajo se realizaron ensayos de tipo químico, en los que no se
102
reprodujo de manera real la cinética de la generación del ácido sulfúrico dentro de
la tubería. En cambio, los resultados obtenidos permiten entender y valorar el
comportamiento del concreto y sus componentes cuando son atacados
químicamente por el ácido sulfúrico.
De los ensayos de potencial se puede concluir que el ataque del ácido se produce
únicamente sobre la superficie exterior del concreto, los resultados de las pruebas
de potencial mostraron que durante todo el ensayo las posibilidades de corrosión
se encontraron por debajo de los límites de actividad.
Las probetas de concreto adicionadas con un 17% de ceniza volante presentaron
un mejor comportamiento al ataque del ácido sulfúrico que las que no fueron
adicionadas. Bajo concentraciones de ácido altas e intermedias todas las mezclas
adicionadas mostraron una pérdida de peso mucho menor que sus pares sin
ceniza.
7.9. TESIS 2. Valoración de la permeabilidad al agua en concretos con
diferentes características
Autor: Ing. Oscar Javier Arango Gómez
Trabajo final dirigido de Especialización en Estructuras
Universidad nacional de Colombia facultad de ingeniería. Departamento de
ingeniería civil unidad académica de estructuras
7.9.1. Resumen
Este estudio fue llevado a cabo para determinar la permeabilidad al agua del
concreto en muestras con diferentes características.
103
Se realizaron los ensayos de resistencia a la compresión, según NTC 673,
permeabilidad al agua, según NTC 4483, absorción superficial inicial, según BS
1881 parte 208, y el ensayo de absorción en caliente y porosidad, según ASTM
C642.
El ensayo de permeabilidad al agua fue realizado utilizando una máquina
adquirida recientemente por el laboratorio de estructuras y materiales de la
Universidad Nacional; el ensayo consiste en aplicar una presión de agua de 0.7
MPa en la parte superior de la muestra de concreto durante 4 días. El ensayo de
absorción superficial inicial, fue realizado con un equipo elaborado por el autor,
siguiendo la norma descrita anteriormente; el ensayo consiste en aplicar una
cabeza de presión de agua de 200 mm en la parte superior de la muestra de
concreto y tomar lecturas sobre una escala colocada detrás de una capilar a los
10, 30 y 60 minutos.
Las siguientes, fueron las variables analizadas; 4 edades de ensayo (80, 110, 140
y 300 días); 2 tipos de curado (curado húmedo, 7 días en agua y luego al aire; y
curado seco, las muestras quedan expuestas al ambiente); 2 materiales
cementantes (100% de cemento (tipo concretero), y 75% de cemento (tipo
concretero) con 25% de Ceniza Volante); 2 relaciones Agua/Cementante (0.45 y
0.65).
La investigación fue llevada a cabo en los laboratorios de la Universidad Nacional
de Colombia, sede Bogotá.
7.9.2. Conclusiones
Los resultados fueron analizados estadísticamente para determinar los valores
obtenidos de las diferentes variables de ensayo.
104
Se pudo observar, el relativo buen comportamiento que tuvo la Ceniza Volante en
las muestras que no fueron curadas, alcanzando valores muy parecidos a las
muestras curadas, y en algunos casos superándolos, especialmente en la relación
A/C = 0.45.
La Ceniza Volante, se comporta de una manera deficiente, cuando se utilizaron
relaciones Agua/Cementante altas (0.65). Se pudo observar, principalmente en los
ensayos de absorción superficial inicial (I.S.A.T) y el ensayo de permeabilidad por
el método de la presión. Se cree que este mal comportamiento, se debe al alto
contenido de porcentaje de inquemados, ya que este, disminuye la adherencia
entre las partículas de cemento y agregados, y retarda la reacción puzolánica.
Las muestras no curadas presentaron valores deficientes respecto a las curadas,
salvo las muestras con adición de Ceniza Volante en la relación A/C=0.45, donde
se presentaron valores muy cercanos a los curados, especialmente en el ensayo a
compresión a edad avanzada.
Tampoco se observó correlación entre los ensayos realizados.
7.10. TESIS 3. Efecto de diferentes reemplazos de cemento por ceniza
volante de termo Paipa sobre resistencia a compresión del concreto
Autor: Luis Gabriel Fonseca Fonseca.
Trabajo final para obtener el Título de Ing. Civil
Universidad Nacional De Colombia Facultad De Ingenieria
Depertamento De Ingenieria Civil Unidad Academica De Estructuras
105
7.10.1. Resumen
Con el fin de investigar la influencia de diferentes reemplazos de cemento por
ceniza volante de Termopaipa sobre la resistencia a compresión del concreto, se
realizaron 4 mezclas de concreto con reemplazos de cemento al 10, 20, 30 y 40%;
con cada mezcla se fundieron 30 cilindros de 10 cm de diámetro por 20 cm de
altura; la mitad de los cilindros se curó en ambiente húmedo y la otra mitad al aire.
Se fabricaron 30 cilindros con una mezcla sin ceniza para tenerla como referencia.
Los especímenes se ensayaron a compresión simple a 7, 28, 56 y 100 días.
Se encontró que los concretos fabricados con ceniza volante de Termopaipa
desarrollaron su resistencia más lentamente que el concreto corriente. El concreto
con reemplazo de 20% a partir de los 56 días logra mayor resistencia que el
concreto tradicional. El concreto con 30% de reemplazo mostró el mejor
desempeño de todos los concretos con ceniza volante en todas las edades, por lo
que se puede afirmar que alrededor del 30% se encuentra el rango óptimo de
reemplazo de cemento por Ceniza Volante de Termopaipa para mejorar la
resistencia a compresión en el concreto.
Como conclusión general se puede decir que desde el punto de vista de
resistencia a compresión es conveniente reemplazar un 30% del contenido de
cemento por Ceniza Volante de Termopaipa en un concreto fabricado con
materiales de las mismas características de los utilizados en este estudio.
7.10.2. Conclusiones
Desde el punto de vista de resistencia a compresión, para los materiales utilizados
en este estudio, en las proporciones dosificadas y en las condiciones de
fabricación y curado tenidas, es factible utilizar reemplazos entre el 20 y 30 % de
cemento Pórtland tipo I (Samper) por ceniza volante de Termopaipa. El concreto
106
con 30% de reemplazo en todos los ensayos mostró el más alto desempeño en
resistencia a compresión, por lo que se puede afirmar que alrededor del 30% se
encuentra el rango óptimo de sustitución para mejorar esta propiedad mecánica.
Debido a la lenta reacción de la puzolana, logra mejoras significativas en su
resistencia a la compresión a edades más tardías (mayores a 56 días)
comparadas con las del concreto con cemento Pórtland tipo I sin ceniza, sin
embargo las diferencias en resistencia a los 28 días se encontraron dentro de un
rango de 10% de la alcanzada por el concreto testigo, lo cual lo hace competitivo
aún para edades tempranas. Las menores resistencias encontradas en el
Concreto con reemplazos de cemento por Ceniza Volante de Termopaipa a
temprana edad (7 días), desde el punto de vista práctico, en aplicaciones donde
no se necesite alcanzar resistencias rápidamente no significan un obstáculo para
su uso.
7.11. TESIS 4. Determinación del porcentaje óptimo de reemplazo de
cemento por ceniza volante (termopaipa) en hormigón de alta
resistencia
Autor: Ing. Alejandro José Durán Bernal.
Trabajo final dirigido de Especialización en Estructuras
Universidad Nacional De Colombia Facultad De Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil Unidad Académica de Estructuras
7.11.1. Resumen
El hormigón de alta resistencia ha tenido múltiples investigaciones y aplicaciones
en el mundo, y su uso se ha fomentado gracias a importantes avances realizados
en las últimas décadas en la industria de los aditivos. En Colombia, su aplicación
107
se ha visto limitada debido a los altos costos del cemento y en general de los
materiales requeridos para su producción, aunado esto con la disminución en la
ejecución de obras de gran magnitud (edificios de alturas superiores a 15 pisos o
puentes de grandes luces por ejemplo) donde es justificable su utilización desde el
punto de vista económico.
Una de las formas de hacer posible la utilización de hormigones de alta
resistencia, es la de usar reemplazos de cemento por ceniza volante
disminuyendo costos en el producto final. Es muy poco lo que se ha investigado
acerca de este tipo de reemplazos en hormigones de alta resistencia en Colombia,
tanto en la observación de su comportamiento mecánico y de durabilidad, así
como tampoco se han analizado de las propiedades de las cenizas volantes que
se podrían usar en ellos.
El objetivo de esta investigación fue el de determinar un porcentaje óptimo de
reemplazo de cemento por ceniza volante proveniente de la Central
Termoeléctrica Termopaipa IV, usando agregados de fácil consecución y
dosificando la mezcla para obtener un de hormigón de alta resistencia.
Se realizaron reemplazos de cemento por ceniza volante de 0% para la mezcla
testigo, 10%, 20% y 30% de porcentaje en peso del cemento de la dosificación
original de la mezcla con una relación agua – material cementante de 0.34. Se
hicieron ensayos de resistencias a compresión medidas en cilindros de 75 x 150
mm y ensayos de módulos de rotura en prismas de 75 x 75 x 300 mm, a edades
de 14, 28, 75 y 120 días. Se fabricaron cilindros adicionales de igual dimensión a
los usados para resistencias a compresión, con el fin de medir absorción de agua
a edades de 75 y 120 días.
Dentro de los resultados se encontró un buen comportamiento de todas las
mezclas en términos de absorción al agua con valores de 2.03 a 2.42%. Aunque
108
con el uso de agregados de origen sedimentario (provenientes del Río Tunjuelito)
se lograron resistencias a compresión superiores a 50.0 MPa, y estas clasifican
internacionalmente dentro del rango de altas resistencias, sólo se obtuvieron estos
valores a la edad de 120 días en todas las mezclas y de 75 días sólo en las
mezclas con 10 y 20% de reemplazo. El mayor módulo de rotura obtenido fue el
de la mezcla con 20% de reemplazo (6.03 MPa) a 120 días.
7.11.2. Conclusiones
7.11.2.1. Ensayos a compresión
Figura 7 Grafica De Comparación por Porcentajes de Reemplazo.
Resistencia Compresión vs. Edades.
109
Según el autor si bien se obtuvieron resistencias superiores a los 50 MPa
(esperadas para concretos de alta resistencia), dichas resistencias sólo se
presentaron después de los 75 días e incluso en los casos de la mezcla patrón y
de reemplazo de 30% sólo llegaron a superar este umbral a los 120 días. Esto es
lógico porque de acuerdo a la bibliografía las resistencias aumentan a mayores
edades especialmente en las mezclas con reemplazos, ya que la reacción
puzolánica de las cenizas permite que el concreto gane resistencias con el tiempo.
Y se alcanzaron valores mayores de resistencia con el tiempo. Es probable que
haya habido una compensación generada por el alto volumen de material
cementante en las mezclas. Al ganar resistencia el material cementante y al
mejorar la interface pasta agregado por su alto contenido, se permitió que los
cilindros resistieran mayores cargas, aún después de que los agregados fueran
susceptibles a presentar
Tabla 18 Comparación de Resistencias a Compresión con respecto a Mezcla Patrón.
RESISTENCIA A COMPRESIÓN (%)
Edad (días) % de Reemplazo
0 10 20 30
14 100.00 100.02 103.94 98.21
28 100.00 96.97 102.75 90.33
75 100.00 112.41 115.41 104.32
120 100.00 105.54 113.63 97.20
En la Tabla 18 se muestra que las resistencias de la mezcla con 30% fueron
inferiores en casi todas las edades a la de la mezcla patrón. El comportamiento de
un hormigón con ceniza volante es el lograr mayores resistencias que uno donde
no se han hecho reemplazos, por la tendencia de la ceniza a reaccionar con el
hidróxido de calcio, con lo cual se aumentan los lazos dentro de la microestructura
del hormigón y se disminuyen los espacios vacíos. Según los reportes
encontrados en la literatura del tema, para un 30% de reemplazo con una misma
calidad de cemento y de ceniza no se esperaría resistencias inferiores a la de la
110
mezcla patrón, del estudio se deduce que como lo dice el mismo autor “en esta
investigación para la mezcla de 30% se formaron grumos durante el mezclado,
esto hizo que se requiriera mayor vibrado para lograr una compactación
adecuada, el tiempo de fraguado se vio alterado y esto modificó las condiciones
de curado y a que el único material que se modificó fue el súperplastificante, se
atribuye la diferencia en resistencias a este mismo hecho”.
7.11.2.2. Ensayos a flexión
Figura 8 Grafica De Comparación por Porcentajes de Reemplazo. Resistencia Flexión vs. Edades.
En la Figura 8 se observa la evolución de las resistencias con la edad y se
manifiesta aún más la disparidad de comportamientos entre unas y otras. La
mezcla patrón aumenta rápidamente resistencias de 14 a 28 días de ahí en
111
adelante aumenta suavemente hasta los 120 días, la diferencia menos marcada
entre resistencias a 28 con respecto a 75 días se puede referir “a algún error en
los ensayos”. La mezcla con 10% de reemplazo aumenta lentamente entre los 14
y 28 días, se presenta un aumento marcado entre los 28 y 75 días para volver
aumentar lentamente entre esta última edad y los 120 días. La mezcla 3 presenta
un comportamiento anómalo a los 28 días donde disminuyó pero luego aumenta
en forma aproximadamente constante hasta obtener la mayor resistencia con
respecto a las demás. La mezcla 4 no tiene aumento significativo entre los 14 y 28
días, edad a partir de la cual empieza un aumento constante en resistencias pero
siempre permaneciendo menores a las de las otras mezclas. Esto también se
puede apreciar en la siguiente tabla 19
Tabla 19 Comparación de Resistencias a Flexión con respecto a Mezcla Patrón.
RESISTENCIA A FLEXIÓN (%)
Edad (días) % de Reemplazo
0 10 20 30
14 100.00 100.92 103.37 86.38
28 100.00 84.87 78.05 71.83
75 100.00 96.94 97.45 84.37
120 100.00 91.98 104.73 85.22
De todas formas, la diferencia entre las mayores y menores resistencias aun
considerando el valor anómalo a los 28 días de la mezcla 3 es de tan solo 1.17
MPa (sin tener en cuenta la mezcla 4 por razones expuestas previamente).
7.11.3. Correlaciones entre resistencia a compresión y resistencia a flexión
De acuerdo con las gráficas y tablas presentadas anteriormente, aunque existe
una cierta proporcionalidad entre las resistencias obtenidas a flexión y las
resistencias a compresión, no hay una tendencia marcada entre unas y otras
112
vistas desde los comportamientos de cada mezcla. Es decir, que mientras para
unas mezclas hay resistencias mayores a compresión a unas edades, con
respecto a la mezcla patrón, el módulo de rotura para la misma mezcla es menor
también comparado con esa mezcla patrón (mezcla 3) Curiosamente el
comportamiento donde se presentan más semejanzas corresponde a la mezcla 4
(con 30% de reemplazo), pero por las diferencias manifestadas previamente en
cuanto al uso de un superplastificante diferente; a las diferencias que debido a ello
desembocaron en diferencias en colocación, desencofrado, curado y calidad del
concreto final; no se puede comparar con las demás mezclas.
Tabla 20 Comparación de Módulo de Rotura / Resistencias a Compresión (MR/f´c).
MR / f´c(%)
Edad (días) % de Reemplazo
0 10 20 30 Promedio
14 10.95 11.05 10.89 9.63 10.63
28 11.82 10.34 8.98 9.40 10.13
75 11.94 10.30 10.09 9.66 10.50
120 11.03 9.61 10.16 9.67 10.12
Promedio 11.44 10.33 10.03 9.59 10.35
En el hormigón normal se suele dar una relación entre el Módulo de rotura y la
resistencia última a compresión siendo el valor típico aproximado de esta relación
el 10.0%. En la Tabla 20, se observa que en promedio esta relación tiene un valor
del 10.35% comparando todas las edades y todas las muestras. Es decir que en
esta relación el hormigón utilizado tiene un comportamiento similar al de un
hormigón normal. El valor promedio de la relación MR / f’c va disminuyendo de
acuerdo con el porcentaje de reemplazo, aunque no de una forma proporcional.
La conclusión general más importante es que el porcentaje óptimo de reemplazo
de cemento por ceniza volante proveniente de la Central Termoeléctrica
Termopaipa IV bajo la dosificación y los agregados utilizados en esta
investigación, es del 20%.
113
7.12. INVESTIGACION REALIZADA POR EL CANMET EN CANADA
En 1985, el CANMET Canadian Centre for Mineral and Energy Technology)
desarrolló concretos incorporando grandes volúmenes de ceniza volante que
tiene todos los atributos del concreto de alto rendimiento, es decir, las excelentes
propiedades mecánicas, permeabilidad baja, la durabilidad superior, y que es
medioambientalmente adecuado.
En 1990, CANMET intentó desarrollar una base de datos sobre concreto con alto
volumen de ceniza volante (se habla de alto volumen de ceniza volante cuando el
porcentaje de reemplazo de cemento por ceniza es superior al 50%)
seleccionando cenizas volantes de los Estados Unidos. La investigación está
llevándose a cabo para el Instituto de investigación para energía eléctrica (EPRI),
Palo Alto, California, bajo un subcontrato con Radian Canadá Inc., Toronto. Ocho
cenizas volantes, cubriendo una amplia gama de composiciones mineralógicas y
químicas, y dos cementos Pórtland para las diferentes fuentes seleccionadas para
el estudio.
7.12.1. Aplicaciones del concreto con alto volumen de ceniza volante
El concreto con alto volumen de ceniza volante se desarrolló primero para
aplicaciones de grandes masas de concreto dónde se requería baja generación de
calor y la resistencia inicial adecuada. El trabajo subsiguiente ha demostrado que
este tipo de concreto, dado su comportamiento mecánico excelente y propiedades
de alta durabilidad también puede usarse para las aplicaciones estructurales y
para la construcción de pavimentos. Algunas investigaciones también han
mostrado el uso potencial del sistema con alto volumen de ceniza volante para el
concreto lanzado, el concreto ligero y el concreto compactado con rodillo.
CANMET está trabajando actualmente en el desarrollo de una mezcla de cemento
114
al que se le adiciona altos volúmenes de ceniza volante. El uso de este tipo de
cemento puede superar los problemas de control de calidad y de los medios de
almacenamiento, relacionados con la adición de ceniza volante como un
ingrediente separado en las plantas de colocación de concreto premezclado. Los
resultados preliminares con este nuevo tipo de cemento son prometedores, sobre
todo para el uso de cenizas volantes granulares.
7.12.2. Conclusiones
Resistencia a la Compresión
En los estudios realizados por CANMET, se obtuvieron resistencias a la
compresión del orden de 8 MPa al 1er. día, 35 MPa a los 28 días, y 43 MPa a los
91 días con el concreto con alto volumen de ceniza volante hecho con el Tipo I
cemento. Como se menciona previamente, la resistencia a temprana-edad del
concreto con alto volumen de ceniza volante puede ser aumentada
significativamente seleccionando el cemento apropiado.
En algunas aplicaciones de campo (Practical User for High – Volume Fly Ash
Concrete Utilizing a Low Calcium Fly Ash), las resistencias del concreto con alto
volumen de ceniza volante fueron de 35 a 50 MPa a los 28 días, y de 50 a 70 MPa
a los 90 días. Núcleos de concreto tomados de grandes bloques experimentales
hechos en concreto premezclado con alto volumen de ceniza volante han
mostrado una resistencia a la compresión de 110 MPa después de 10 años en una
exposición al aire libre; los bloques tenían 7 días de curado en humedad antes de
ser expuestos. Esto demuestra el potencial para la ganancia de resistencia a largo
plazo en este tipo de concreto.
115
Algunos esfuerzos fueron hechos para aumentar la resistencia a temprana edad
del concreto con alto volumen de ceniza volante, incorporando porcentajes
pequeños (3 y 8.5%) de humo de sílice al sistema; sin embargo, estos estudios
mostraron que el uso de humo de sílice no afectó significativamente el desarrollo
de resistencia del concreto con alto volumen de ceniza volante.
Resistencia a la flexión y tensión indirecta.
Se obtuvieron resistencias a la Flexión del orden de 4.5 y 6.0 MPa a los 14 y 91
días, respectivamente, y a los 28 días los esfuerzos de tensión indirecta eran del
orden de 3.5 MPa, para el elemento de concreto con alto volumen de ceniza
volante producido por CANMET. Las propiedades mecánicas de resistencia a la
flexión y tensión indirecta son comparables con aquéllas para el concreto con
cemento Pórtland convencional.
El módulo de elasticidad inicial
El módulo de elasticidad inicial "E" para el concreto con alto volumen de ceniza
volante es del orden de 35 y 38 GPa a los 28 y 91 días, respectivamente.
Retracción por secado y flujo plástico
Las deformaciones por retracción de secado del concreto con alto volumen de
ceniza volante son comparables o más bajas que las del concreto con cemento
Pórtland convencional, con valores moderados del orden de 500x10-6 después de
64 semanas de secado al aire. Las deformaciones por flujo plástico del concreto
con alto volumen de ceniza volante pueden ser considerado bajas, con valores
que varían, en general, de 24 a 32x10-6 por MPa de tensión para el concreto de
peso normal después de un año bajo cargas. Un estudio con agregados ligeros ha
confirmado estos resultados, con valores de deformaciones por flujo plástico que
116
van de 27.5 a 44.3x10-6 por MPa en el concreto con alto volumen de ceniza
volante comparados con valores de 65.6x10-6 para un concreto de referencia de
resistencia similar.
7.13. ANALISIS DE LAS INVESTIGACIONES
Cada una de las investigaciones realizadas junto con los resultados obtenidos
demuestra los beneficios significativos que trae el aprovechamiento de las cenizas
volantes debido a que actualmente no solo es usada por su bajo costo, sino
además su uso es impulsado por otros Países con el fin de darle un manejo
adecuado, ya que por ser un residuo contaminante, si se tiene una mala
disposición final de él se genera un grave impacto ambiental.
Las propiedades físicas que se ponen a prueba en cada investigación dejan ver la
calidad del material y su alto desempeño en el uso que se les da, entre ellos se
obtuvieron:
Buena permeabilidad siempre y cuando se realice un buen proceso
tecnológico, buena correlación entre porosidad y resistencia a la
compresión y entre porosidad y permeabilidad hasta los 180 días de
curado, comparando con el cemento puro.
Hormigones con 100% de ceniza volante como sustituto del cemento
portland alcanzando una resistencia mecánica a compresión de 50 a 60
Mpa, su precio competitivo, aplicación en industria de prefabricados eficaz,
buena durabilidad, buena estabilidad de volumen, resistencia al ataque por
sulfatos, a la carbonatación, a la reacción árido-alcali, a la corrosión de las
armaduras.
La sustitución de cemento por cenizas volantes o mezclas cenizas volantes
y humo sílice permite fabricar lechadas con mayor fluidez, se observa alta
117
resistencia en el producto y la incorporación de puzolanas a las lechadas en
niveles de sustitución elevados (30%) permite la reducción en el consumo
de cemento lo que repercute en beneficio económico manteniendo las
propiedades del producto final.
La utilización de mezclas de cenizas volantes con ceniza de lodo de
depuradora corrige el defecto de la demanda de agua que tendría si
estuviera la CLD sola, debido al carácter lubricante de la CV, lo que
contribuye además a un aumento en la trabajabilidad.
En tubos de concreto con adición de CV presentan un mejor
comportamiento al ataque de ácido sulfúrico.
Al utilizar CV reemplazando cemento portland en un 20 y 30% se obtiene
en este último un concreto con más alto desempeño en resistencia a
compresión, por lo tanto el 30% es el rango óptimo de reemplazo.
Las propiedades de flexión y tensión indirecta son comparables con
aquellas para el concreto con cemento portland convencional.
118
CONCLUSIONES
De esto se concluye que en otros países más avanzados desarrollan
investigaciones con el apoyo del gobierno, obteniendo muy buenos resultados
tanto para el sector de la construcción como para el del medio ambiente.
En la actualidad Colombia utiliza carbón mineral como combustible en la operación
de termoeléctricas ya que tiene reservas suficientes para ello y por consiguiente
cenizas volantes, de las cuales podemos utilizarlas en el campo de la construcción
pero por falta de apoyo gubernamental no se ha logrado investigar ni difundir sus
ventajas
El concreto es un material estratégico, en los EUA las edificaciones y estructuras
construidas representan cerca del 70% de la riqueza del país. Es importante
generar una cultura que cambie la imagen del concreto como un material de bajo
costo y simple de elaborar por lo que realmente es: un componente de alto
desempeño y de infraestructura básica. La incorporación de materiales de
desecho o subproductos puede permitir extender la capacidad de producción de
materiales cementosos que pueden ofrecer mejores propiedades que el cemento
Pórtland y a un menor costo; ayudan en la reducción de emisión de contaminantes
y requerimientos energéticos; reducen la acumulación de desechos en tiraderos
industriales o rellenos sanitarios, etc. Las ventajas potenciales están allí; se
requiere invertir tiempo, dinero y recursos humanos para llevar a nuestro país a un
mejor nivel de explotación de sus recursos con una orientación de respeto al
medio ambiente.
Las propiedades primordiales de interés para los usuarios de materiales de
construcción son la resistencia mecánica y la durabilidad. Algunas ventajas que
pueden explotarse del empleo de materiales cementosos constituidos parcial o
119
totalmente por subproductos son los siguientes (con respecto de los materiales
basados en cemento Pórtland):
• Propiedades mecánicas similares o en muchos casos superiores.
• Durabilidad mejorada a ambientes químicos agresivos (p. ej., agua de mar, pisos
en plantas químicas).
• Extensión de la capacidad de producción del cemento cuando se usan como
reemplazo (10-90%) sin requerir de procesamiento térmico adicional (ahorro de
energía y menor contaminación).
• Reducción de la acumulación de desechos en tiraderos o rellenos.
El nivel de uso de cada subproducto o combinación de subproductos estará regido
por factores como la disponibilidad y los efectos generados sobre el cemento. Los
niveles de aplicación estarán regidos por las normas locales o por los
requerimientos específicos de un proyecto de construcción. Por ejemplo, en los
EUA la adición de materiales de desecho al cemento para comercializar no está
permitida por sus propias normas; sin embargo, éstas permiten agregar, por
ejemplo, ceniza volante al concreto en el sitio de la construcción. En México se
permite agregar alrededor de un 5% del cemento como caliza, escoria, ceniza
volante, etc.
Lo cierto es que existe la necesidad de alternativas de reemplazo de cemento. Si
sólo en Colombia se reemplazara el cemento por 5% de ceniza volante, se estaría
hablando de una reducción de 1.4 millones de toneladas de CO2 liberadas al
medio ambiente; extrapolada a escala mundial, la cifra sería de 75 millones de
toneladas de CO2.
Mucho del conocimiento sobre estos procesos se genera en países desarrollados
y es necesario reducir la dependencia del conocimiento y la tecnología del
extranjero. La formación de recursos humanos calificados ayudará a formar un
equipo que genere conocimientos y permita que estemos preparados con
120
opciones adecuadas antes de que las necesidades nos alcancen y nos tomen
desprevenidos. En opinión de algunos investigadores, la tecnología de materiales
de alto volumen y tonelaje (cemento, concreto, acero, aleaciones ligeras,
compositos) está alcanzando una madurez tecnológica que avanza ahora
lentamente. Esto es aceptable sólo de manera parcial: muchos paradigmas
deberán cambiar en vista de las necesidades que generará la creciente población
mundial, las restricciones ambientales cada vez más exigentes y el encarecimiento
y la escasez de energéticos. Por supuesto, la tendencia internacional deberá
orientarse hacia la generación de bienestar para las generaciones actuales pero
sin comprometer el bienestar de las generaciones venideras hacia una política de
desarrollo sustentable. Desde esta perspectiva, los materiales alternativos de
construcción, así como el reciclaje y la reutilización de muchos otros materiales,
representan una de las vías de solución; es necesario generar políticas que
orienten esfuerzos en esta dirección.
Desde el punto de vista de diseño de mezclas, no existe aún un procedimiento
unificado para el diseño de las mismas ni a escala internacional ni mucho menos
nacional. Es necesario investigar con materiales con los cuales se pueda lograr
hormigones con porcentajes recomendables en Colombia para crear un posible
procedimiento ajustado a las necesidades particulares del país. En estos
hormigones con mayor razón que en hormigones normales, no se pueden copiar o
adaptar a la ligera, procedimientos que se desarrollen en otras partes del mundo.
Se pueden conseguir alta resistencia en las mezclas de concreto hidráulico con
adiciones de ceniza volante aunque este es el principal componente no es el único
y por lo tanto se debe tener en cuenta los agregados a utilizar. Los agregados
pueden ser bastante aceptables para desarrollar hormigones normales, pero para
su uso en hormigones de alta resistencia se recomienda tenerlos de una buena
calidad ya que este tipo de hormigones depende en forma importante de la
resistencia intrínseca del agregado.
121
Las puzolanas como aditivos son de capital importancia dentro de la industria del
cemento, ya que intervienen en la calidad del producto final, aumentan la
eficiencia del proceso de fabricación y reducen los costos de producción.
Las cenizas volantes tienen un contenido bajo del carbón para los propósitos
comerciales. Por lo tanto, es necesaria una clasificación para el carbón y fracción
inorgánica de las cenizas volantes, ya que se cree que este buen o mal
comportamiento, se debe al alto contenido de porcentaje de inquemados, ya que
este, disminuye la adherencia entre las partículas de cemento y agregados, y
retarda la reacción puzolánica.
La clasificación también debe describir asociaciones de componentes dentro de
partículas individuales para predecir mejor el comportamiento de las cenizas
volantes.
El calor generado por la mezcla Cemento/Puzolana es menor que el generado por
el mismo peso de solo cemento, lo cual incide en la durabilidad del concreto dado
que se disminuyen las tensiones generadas en la dilato-contracción térmica.
El uso de puzolanas permite el diseño de mezclas de concretos más
impermeables, cuyo período de deterioro por el lixiviado de la cal libre se reduce.
Algunas puzolanas aportan resistencia al concreto contra el ataque de aguas de
mar, sulfatadas, ácidas o que contengan dióxido de carbono en solución.
Las puzolanas disminuyen la expansión resultante de la reacción de los agregados
alcalinos.
La finura es un parámetro que incide directamente en los índices de puzolanicidad
que se incrementan con la finura.
122
Los porcentajes de reemplazo de cemento por ceniza volante en las mezclas de
acuerdo a las investigaciones son del orden de 15 a 30%, demostrando ser el más
óptimo el 30%.
123
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