LAS CENIZAS DE CÁSCARA DE ARROZ, ADICIÓN PUZOLÁNICA EN CEMENTO Y CONCRETO
Dra. Rosaura Vásquez A.*; Bach. Patricia Vigil** *Cementos Pacasmayo S.A.A.; **Universidad de Piura
Resumen Mediante la calcinación controlada de la cáscara de arroz, a baja temperatura (400°C), se ha obtenido una ceniza que consiste esencialmente en sílice amorfa, con un alto contenido de SiO2 (93%), de gran área superficial (22600 cm2/g) y que, en consecuencia, posee gran actividad puzolánica. La puzolana artificial desarrollada (ceniza de cáscara de arroz), cumple con los requisitos de los índices de actividad puzolánica a través de los cuales ha sido evaluada. Todos los cementos Pórtland adicionados diseñados presentan mayores resistencias a la compresión que el OPC a 3, 7 y 28 días. Los resultados demuestran la factibilidad técnica de la elaboración de los cementos Pórtland con incorporación de ceniza de cáscara de arroz, con porcentajes de adición de hasta el 30%. Dada la importante producción de arroz en el Perú, en la zona de influencia de Cementos Pacasmayo S.A.A. se podría contar con 40000 t de ceniza de cáscara de arroz/año. Teniendo en cuenta este volumen, será viable producir cemento Pórtland con adición de ceniza de cáscara de arroz, a escala industrial, en plantas pequeñas de cemento como es la Planta de Rioja.
1.
INTRODUCCIÓN
En el Perú, el cultivo de arroz es uno de los más importantes en producción y área cosechada. En el año 1999, la producción de arroz en cáscara fue de aproximadamente dos millones de toneladas. Siendo la cáscara el 20% del peso total, durante 1999, se acumularon 400000 toneladas de cáscara de arroz, el cual es un subproducto voluminoso y contaminante. De haberse obtenido la ceniza de la cáscara de arroz, la cual representa el 20% en peso de la cáscara, se hubieran tenido disponibles 80000 toneladas de ceniza. La ceniza de cáscara de arroz es considerada como una puzolana artificial que puede ser utilizada como una adición mineral de los cementos Pórtland
adicionados y el concreto. El industria del cemento y del desarrollando aceleradamente regulaciones ambientales y internacional.
empleo de adiciones minerales activas en la concreto es práctica común que se viene en gran parte del mundo, en razón de las la evolución del mercado y la normativa
Sería conveniente poder proveer al mercado nacional de productos como el cemento y el concreto con adición de ceniza de cáscara de arroz. Las ventajas de incorporar adiciones involucran aspectos importantes como el ahorro de energía no renovable, la protección y conservación del medio ambiente y la mejora de las propiedades del cemento y el concreto. A estos fines pretende contribuir CEMENTOS PACASMAYO S.A.A. y la UNIVERSIDAD DE PIURA a través del presente trabajo conjunto de investigación.
2.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
El arroz, el trigo y el maíz son los cereales de mayor producción a escala mundial. Los tallos, hojas y cáscaras de estos cereales son considerados como residuos y debido a sus grandes volúmenes representan un problema para su almacenamiento y manipulación. Este hecho ha impulsado la investigación y desarrollo de métodos para producir energía y productos industriales a partir de estos residuos. Por diversas razones la cáscara de arroz, ha llamado la atención a los investigadores del cemento, sobre todo en los países productores de arroz, donde la industria del cemento y concreto puede consumir grandes cantidades y resolver el problema de manejo de estos residuos. Aunque la cáscara de arroz es un quinto (en peso) del arroz segado y secado, debido a su baja densidad, se acumulan grandes volúmenes en los lugares de molienda. Actualmente la producción anual de arroz en el mundo es aproximadamente 500 millones de toneladas, que originan unos 100 millones de toneladas de cáscara y 20 millones de toneladas de ceniza. En la Tabla 1, se muestra que ningún otro residuo vegetal produce tanta ceniza al ser calcinado. 2.1
Cáscara de arroz
2.1.1 Descripción La cáscara de arroz, también denominada "pajilla", se obtiene del proceso de pilado, en el cual la cáscara se separa haciendo pasar el arroz en cáscara entre rodillos de jebe, luego de una operación previa de limpieza.
Tabla l. Cantidad de ceniza producida por distintos cereales Cosecha
Parte de la Planta
Ceniza (% en peso)
Maiz
Hoja
12
Arroz
Cáscara
20
Arroz
Paja
14
Sorgo
Hoja
12
Caña de azúcar
Bagazo
15
Girasol
Hoja y Tallo
11
Hoja
10
Trigo Fuente: Mehta, P.K.
11
La cáscara de arroz posee una superficie áspera y abrasiva, es muy resistente a la degradación natural y debido a su bajo contenido de proteínas no es apropiada para forraje de animales, hechos que dificultan su aprovechamiento económico. 2.1.2 Propiedades La composición química promedio de la cáscara de arroz es la siguiente: Tabla II. Composición química de la cáscara de arroz Componente
Fórmula
Composición
Celulosa: polímero de glucosa
C5H10O5
50%
Lignina: polímero de fenol
C7H10O3
30%
SiO2
20%
Sílice: componente primario de ceniza Fuente: Mehta, P.K.
11
La lignina y la celulosa presentes en la cáscara de arroz pueden ser eliminadas por combustión controlada y en la ceniza queda sólo la sílice, en forma microporosa. El alto contenido de ceniza y lignina presente en la cáscara la descalifica para hacer productos de celulosa. Se cree que la sílice en la cáscara de arroz existe en forma opalina (una forma amorfa e hidratada de sílice). Aparentemente la sílice es tomada del suelo y 1 transportada a la planta de arroz como ácido monosilícico, el cual llega a concentrarse en las cáscaras por evaporación y finalmente polimeriza a la forma de membrana sílico-celulosa. Las características físicas de la cáscara de arroz se presentan en la Tabla III.
Tabla III. Características físicas de la cáscara de arroz Características Densidad real Densidad global sin compactar Densidad global compactado
g/cm3 0,780 0,108 0,143
Fuente: Gonzáles de la Cotera, M. .
2.2
Producción en el Perú
La cáscara de arroz constituye un subproducto del proceso agroindustrial, con aplicaciones tan reducidas en la actualidad, que en la práctica se le puede considerar como material de desecho. La más significativa implantación de la industria arrocera se encuentra en la costa norte, que posee más del 50% de las instalaciones existentes. La cáscara de arroz se comercializa con precios variables según la zona, el molino y la oportunidad. Actualmente en el Perú la cáscara de arroz se utiliza como combustible, como aislante térmico para conservar bloques de hielo y como materia prima para la elaboración del llamado pulitón que es un abrasivo barato para uso doméstico. Excepcionalmente se le utiliza como ingrediente en la fabricación de adobes. La producción de arroz se ha incrementado en los últimos años por el aumento de la superficie dedicada a este cultivo, por la acción de nuevas variedades introducidas y el incremento de la productividad. En la Tabla IV se muestra la producción de arroz en cáscara y la superficie cosechada en los últimos 10 años. Tabla IV Producción de arroz en cáscara Año 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 (ene.-ago.) Fuente :MINAG13
Superficie cosechada (ha) 184 758 158 348 166 499 177 527 239 453 203 196 210 353 238 713 268 571 311 569 227 265
Producción de arroz en cáscara (t) 966 100 814 200 892 400 967 600 1 401 400 1 141 600 1 203 200 1 459 800 1 548 800 1 955 000 1 564 470
2.3
Ceniza de cáscara de arroz
2.3.1 Métodos de elaboración La ceniza de cáscara de arroz puede ser obtenida a través de diferentes técnicas de calcinación, entre las cuales tenemos: 1. Calcinación a campo abierto (o en pilas) 2. Calcinación en hornos (circulares o cuadrados) 3. Calcinación en lecho fluido. A continuación se describe brevemente cada una de las técnicas de calcinación señaladas: 1.
Calcinación a campo abierto (o en pilas)
Es una técnica sencilla de reducción de cáscara a ceniza. La calcinación a campo abierto se realiza en recintos circulares de ladrillo de hasta 16m de diámetro, con pilas de cáscara de 2,5m de altura. La cáscara calcinada es extraída cada cierto tiempo obteniéndose una ceniza de color blanco a blanconegro. Mediante esta técnica de calcinación la temperatura no puede ser controlada. Asimismo, debido a la alta temperatura alcanzada y a la formación resultante de estructuras silíceas altamente cristalinas (cristobalita y tridimita), la calcinación a campo abierto es asociada con puzolanas de bajo índice de reactividad. 2.
Calcinación en hornos (circulares o cuadrados)
Esta técnica ha sido utilizada en plantas piloto e industriales en la India, Pakistán y Nepal. Los hornos tienen paredes de ladrillos los cuales se disponen alternadamente de tal manera que se permita el acceso del aire hacia el interior (ver Fig. 1). La chimenea se extiende hasta la base del horno y está elaborada con una malla fina de alambre que permite que el aire fluya y evita el ingreso de ceniza. Asimismo, las paredes interiores están revestidas con una malla de alambre con la finalidad de retener la cáscara, la cual se carga por la cubierta del horno y se descarga por la base. Esta técnica de calcinación produce una ceniza de color blanco, altamente activa, de naturaleza amorfa y con presencia minoritaria de cuarzo cristalino. 3.
Calcinación en lecho fluido
En la Fig. 2 se muestra el esquema de un horno de lecho fluido.
La cámara de combustión es de acero inoxidable y para el lecho fluidizado (partículas no combustibles) se emplea arena con tamaño de partícula de 297 a 590 µm. El aire es suministrado a través de un plato perforado ubicado en la base de la cámara de combustión. El lecho fluido es precalentado a 500 °G por medio de un dispositivo eléctrico y posteriormente se inicia la alimentación de la cáscara a través de un alimentador de tornillo. Una vez obtenida la ceniza cesa el calentamiento por medio del dispositivo eléctrico. La temperatura de combustión que es monitoreada en el lecho fluido se controla mediante la velocidad de alimentación de la cáscara de arroz. El suministro de aire se fija a una
velocidad de 15 cm/s. El tiempo de retención de la ceniza en la cámara de combustión es de sólo unos pocos segundos y posteriormente ésta es colectada a través de un ciclón. La calcinación controlada de la cáscara de arroz por medio de este tipo de calcinador proporciona una ceniza consistente en sílice amorfa con un alto contenido de SiO2 y una elevada área superficial. La actividad puzolánica de la ceniza es excelente y proporciona una buena resistencia a la compresión. Por otra parte, la cáscara de arroz representa una fuente valiosa de energía. El valor energético de la cáscara de arroz es aproximadamente 14 MJ/kg lo cual significa que una tonelada de cáscara de arroz es equivalente a 0,5 toneladas de carbón ó 0,35 toneladas de petróleo. En el proceso Mehta-Pitt se aprovecha el calor de la combustión de la cáscara de arroz, en un horno de lecho fluido, para producir vapor o electricidad. 2.3.2 Descomposición de la cáscara de arroz La descomposición de la cáscara de arroz se realiza en cuatro etapas: 1. Liberación del agua adsorbida a temperaturas menores de 100 °C, con una pérdida de peso de 4 a 8%. 2. Liberación de materias volátiles como la lignina y la celulosa, las cuales se descomponen entre 225 a 500°C y 325 a 375°C, respectivamente. Las materias volátiles perceptibles se liberan entre 250 a 350°C con evolución considerable de humos. 3. Calcinación del carbón a temperaturas superiores a 350°C. Uno de los problemas en la oxidación del carbón es la oxidación de la capa superficial de la cáscara que no permite oxidar con facilidad la parte central del volumen calcinado a menos que el aire pase a través de la superficie. Aproximadamente el 45% de la pérdida de peso ocurre en la segunda etapa mientras que la pérdida de peso restante sucede en esta tercera etapa. 4. Cristalización de la sílice (amorfa) de la ceniza a temperaturas superiores a 700 °C, con formación de cristobalita y tridimita. 2.4
Cemento y concreto con adición de ceniza de cáscara de arroz
2.4.1 Reacciones de hidratación En los cementos y concretos con adición de ceniza de cáscara de arroz, la sílice amorfa de la ceniza reacciona con el hidróxido de calcio liberado en la hidratación del cemento para formar silicatos de calcio hidratados del tipo CSHI y CSHII, principales compuestos responsables de la resistencia.
La reacción se ilustra como: Ca(OH)2 + SiO2 = CSHI + CSHII Donde: CSHI = CaO0,8-1,5SiO2.(H2O)1-2,5 CSHII =CaO1,5-2,0,SiO2.2(H2O) 2.4.2 Propiedades a)
Resistencia a la compresión
La adición de cenizas de cáscara de arroz, con un alto contenido de sílice amorfa, contribuye a la resistencia del cemento y el concreto a edades tempranas y en un periodo intermedio, pero tiene relativamente poco efecto a largo plazo. Con excepción de la ceniza de cáscara de arroz ningún otro material puzolánico, incluyendo la microsílice (silica fume), tiene la capacidad de contribuir a la resistencia del cemento a edades tempranas de 1 a 3 días. Por lo tanto, se puede aprovechar el carácter altamente puzolánico de la ceniza de cáscara de arroz para contrarrestar las pérdidas en las resistencias tempranas que son usualmente asociadas con la incorporación de otros tipos de puzolanas. b)
Resistencia química
La adición de ceniza de cáscara de arroz mejora en gran medida la durabilidad del cemento y el concreto. Se ha demostrado que la ceniza de cáscara de arroz ayuda a reducir sustancialmente la pérdida de masa del concreto expuesto en una solución de ácido clorhídrico, y disminuye considerablemente la expansión debido al ataque de sulfatos y a la reacción álcali-sílice. 3.
PARTE EXPERIMENTAL
3.1
Cáscara de arroz.
Previamente a los ensayos la muestra fue homogeneizada y reducida mediante cuarteos sucesivos. 3.1.1 Humedad Para determinar la humedad de la cáscara de arroz, esta se seca en una estufa a 80°C, hasta peso constante.
3.2
Obtención de la puzolana artificial
La puzolana artificial se obtuvo a partir de la calcinación controlada de la cara de arroz. Para obtener la ceniza de cáscara de arroz se consideraron las siguientes variables: 1. Temperatura de calcinación. 2. Tiempo de calcinación. 3. Tamaño de partícula. En la Fig. 3, se presenta el diagrama de flujo del proceso de obtención de la ceniza de cáscara de arroz.
Cáscara de arroz
Homogeneización
Calcinación
Puzolana artificial: Ceniza de cáscara de arroz
Molienda y tamizado
Ceniza molida y tamizada
Control de calidad
Figura 3. Obtención de la ceniza de cáscara de arroz
3.2.1 Calcinación La cáscara de arroz previamente secada (80°C), se calcina hasta peso constante a las siguientes temperaturas: 400, 500, 600, 700, 800 y 900 °C. Durante este proceso se obtiene una ceniza cuya apariencia (color), varía de acuerdo a la temperatura de calcinación. 3.2.2 Molienda y tamizado La molienda se realizó de forma manual, utilizándose un mortero de porcelana. Las cenizas de la cáscara de arroz se muelen hasta que el retenido en malla (45 µm) sea el 25% del total de la muestra. 3.3
Control de calidad de la puzolana artificial
Los parámetros a evaluar con el fin de determinar la ceniza de cáscara de arroz óptima fueron el porcentaje de carbón, el índice de actividad de la sílice y el análisis por difracción de rayos X. 3.3.1 Porcentaje de carbón El contenido de carbón se estima como la pérdida por calcinación a la temperatura de 1000 °C. El carbón es la cantidad de materia orgánica residual que posee la ceniza y se elimina calcinándola a muy altas temperaturas. Su presencia influye en la composición química de la ceniza, pues a mayor contenido de carbón corresponde un menor contenido de sílice. 3.3.2 Índice de actividad de la sílice El índice de actividad de la sílice ha sido definido por Metha como el porcentaje de sílice aprovechable que se disuelve en un exceso de NaOH 0,5N, en ebullición, durante una extracción de tres minutos. Este parámetro es una medida del grado amorfo de la sílice en la ceniza obtenida. La sílice disuelta se cuantifica posteriormente mediante un método espectrofotométrico. 3.3.3 Análisis químico completo La determinación de la sílice total se realizó según la norma ASTM C114 - 99, empleando una mezcla fundente de carbonato de litio y ácido bórico. Los óxidos de aluminio, calcio, fierro, magnesio, potasio y sodio se determinaron por la técnica instrumental de espectrofotometría de absorción atómica.
3.3.4 Difracción de rayos X Proporciona el análisis mineralógico cualitativo del material indicando la presencia de sílice amorfa o sílice cristalina en la ceniza de cáscara de arroz. 3.4
Evaluación de la puzolana artificial óptima
A la ceniza de cáscara de arroz óptima se le determinó la densidad real, la superficie específica (Blaine) y el retenido en malla 325, previo a la determinación de su actividad puzolánica. 3.4.1 Actividad puzolánica La actividad puzolánica de la puzolana artificial se evaluó mediante los siguientes métodos: 1. Índice de actividad puzolánica por el método de la cal (NTP 330.055:1999). 2. Índice de actividad puzolánica utilizando cemento Pórtland (NTP 334.066:1999). 3. Índice de actividad puzolánica utilizando cemento Pórtland (ASTM C311:1999). 4. Índice de actividad puzolánica acelerada con cemento Pórtland (NTP 334.087: 1999). 3.5
Diseño del cemento Pórtland con adición de la puzolana artificial
El clínker y el yeso empleado en la elaboración del cemento proceden de la planta de Rioja. . Para el diseño del cemento Pórtland adicionado se evaluó la incorporación de los siguientes porcentajes de la ceniza de cáscara de arroz: 0%, 10%, 15%, 20% y 30%. El cemento Pórtland adicionado se molió con la siguiente granulometría: 12% de retenido en malla 325. La molienda se realizó en un molino planetario, de laboratorio, que semeja en gran medida las condiciones de molienda en planta. 3.5.1 Propiedades físicas Las propiedades físicas evaluadas fueron densidad, superficie específica (Blaine), retenido en malla 325 y la resistencia a la compresión. Para la determinación de la resistencia a la compresión del cemento Pórtland adicionado se fijó la fluidez a un valor equivalente a la fluidez del OPC (0% de adición) ± 5%.
3.5.2 Ensayo de puzolanicidad El ensayo de puzolanicidad nos da idea de la reactividad química del material, es decir del grado de reacción entre la puzolana y el hidróxido, de calcio liberado en la hidratación del cemento Pórtland. En el método desarrollado por Fratini (UNE-EN 196-5), la puzolanicidad es comprobada comparando la cantidad de hidróxido de calcio que contiene la disolución acuosa en contacto con el cemento hidratado, con la: cantidad de hidróxido de calcio capaz de saturar un medio de la misma alcalinidad. El ensayo se considera positivo si la concentración de hidróxido de calcio en disolución es inferior a la concentración de saturación. 4.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La materia prima utilizada proviene de la región norte del Perú. El arroz procede del valle de Jequetepeque y la cáscara de arroz fue colectada en un molino de la ciudad de Pacasmayo. Se utilizó un total de 50 kg de cáscara de arroz que fueron adecuadamente homogeneizados y reducidos mediante cuarteas sucesivos. El porcentaje de humedad de la cáscara de arroz es del 8% y fue obtenido secando la cáscara a 80 °C por espacio de 12 horas. 4.1
Control de calidad de la puzolana artificial
4.1.1 Pérdidas por calcinación y porcentaje de carbón En la Tabla V, se presentan el porcentaje de las pérdidas por calcinación de la cáscara de arroz a diferentes temperaturas y el porcentaje de carbón presente en las cenizas obtenidas. De los resultados obtenidos se observa que conforme se incrementa la temperatura las pérdidas por calcinación de la cáscara de arroz son ligeramente mayores y que el tiempo de calcinación requerido disminuye. Por otra parte, el porcentaje de carbón presente en las cenizas disminuye a medida que aumenta la temperatura a la que fue calcinada dicha ceniza. El color de la ceniza calcinada cambia ligeramente de acuerdo a la temperatura de calcinación, siendo este cambio más apreciable entre 500 y 600°C. La ceniza calcinada en el rango de 350 a 500°C tiene un color crema mientras que aquella calcinada entre 600 y 900°C toma una coloración grisácea apreciándose partículas negras y blancas.
Tabla V Pérdidas por calcinación de la cáscara de arroz y porcentaje de carbón de las cenizas Temperatura
Tiempo (h)
Pérdida por calcinación (%)
Carbón (%)
350 400 450 500 600 700 800 900
4 2 2 2 1.5 1.5 1 1
76.68 77.13 77.35 77.41 77.42 77.57 77.74 77.76
5.70 4.73 4.31 2.55 2.30 1.78 0.75 0.39
4.1.2 Índice de actividad de la sílice El índice de actividad de la sílice (SAl) de las cenizas de cáscara de arroz se determina como una medida del grado amorfo de la sílice en la ceniza obtenida. Cuanto más amorfa sea la sílice más reactiva será la ceniza obtenida. El máximo porcentaje de sílice reactiva obtenida (43,05%) corresponde a la ceniza obtenida a 400°C y el valor mínimo (1,63%) corresponde a la ceniza obtenida a 900°C (ver Fig. 4). El grado de sílice reactiva depende del tipo de estructura que posee la sílice contenida en la ceniza de cáscara de arroz y ésta a su vez depende de la temperatura de calcinación. En razón de los resultados obtenidos se puede afirmar que la ceniza más reactiva y amorfa es aquella obtenida a 400°C. Por lo tanto podemos considerar la temperatura de 400°C como la temperatura óptima de calcinación. Con el objetivo de afinar la temperatura de calcinación y en previsión a las variaciones de temperatura que eventualmente se podrían tener a escala industrial, se evaluó el índice de actividad de la sílice en las cenizas calcinadas a 50°C por encima (450°C) y por debajo (350°C) de la temperatura óptima de calcinación inicialmente encontrada. El porcentaje de sílice reactiva de la ceniza obtenida a 350°C resulto ser mayor que la encontrada a 400°C (temperatura óptima), y el de la ceniza obtenida a 450°C resulto menor que ésta. Asimismo, a las cenizas obtenidas a 350 y 450°C se les evaluó el porcentaje de carbón y las pérdidas por calcinación. La ceniza obtenida a 350°C presenta el mayor porcentaje de sílice reactiva pero posee también el mayor porcentaje de carbón.
Además, es importante resaltar el hecho de que el consumo energético es mucho mayor cuando la ceniza se calcina a 350 °C, ya que el tiempo necesario requerido para completar la operación de calcinación es el doble que cuando se efectúa a 400 °C.
4.1.3 Composición química A la ceniza óptima (calcinada a 400°C) y a las cenizas obtenidas a 350 y 900°C se les determinó su composición química obteniéndose un contenido de sílice del 91 al 94%. El segundo componente, en orden de importancia, es el potasio (K2O = 3% aproximadamente). El contenido de óxido de potasio varía dependiendo del tipo y la cantidad de fertilizantes empleados en el cultivo del arroz. 4.1.4 Difractogramas de rayos X En la Fig. 5, se presentan los difractogramas de rayos X de las cenizas de cáscara de arroz obtenidas a 400, 500, 600, 700, 800 y 900 °C. En los difractogramas de rayos X de las cenizas de cáscara de arroz obtenidas a las temperaturas de 400 a 700°C, no se observa la presencia de picos de difracción definidos, lo cual implica que las muestras están constituidas por sílice amorfa.
Tabla VI
Composición química de las cenizas de cáscara de arroz Composición (%) Al2O3 CaO Fe2O3 MgO K2O Na2O SiO2 Carbón
Ceniza calcinada a: 350°C 0.08 0.20 0.09 0.28 3.09 0.29 91.78 5.69
400°C 0.07 0.23 0.08 0.28 3.08 0.29 92.92 4.72
900°C 0.20 0.26 0.08 0.32 2.80 0.39 93.80 0.39
En las muestras obtenidas a 800 y 900°C se observan picos de difracción correspondientes a la presencia de sílice cristalina, no reactiva. 4.2
Evaluación de la puzolana artificial óptima
En la Tabla VII, se presentan las características físicas de la ceniza de cáscara de arroz óptima. Tabla VII. Características físicas de la puzolana artificial MUESTRA
Densidad (g/cm3)
Blaine (cm2/g)
R M 325 (%)
Ceniza de cáscara de arroz
2.16
22 600
14,58
La ceniza de cáscara de arroz posee una baja densidad, menor que la de un cemento Pórtland cuyo valor es de 3,0 a 3,2 g/cm3. Por otra parte, la ceniza de cáscara de arroz presenta una gran área superficial (22600 cm2/g) en razón de su estructura celular, lo cual es índice de que se trata de una puzolana bastante activa. 4.2.1 Actividad puzolánica En la Tabla VIII, a continuación, se muestran los resultados de los ensayos de actividad puzolánica:
Tabla VIII
Índices de actividad puzolánica de la puzolana artificial Ensayo
Índice de actividad puzolánica Método de la cal (NTP 334.055) Índice de actividad puzolánica Método del cemento 7d (NTP 334.066:1999) 28 d Índice de actividad puzolánica Método del cemento 7d (ASTM C 311:1999) 28 d Índice de actividad puzolánica acelerada, con cemento Pórtland (NTP 334.0087:1999) 7d
Resultado
Requisito (min)
1007 psi
800 psi
75,51% 67,47%
--75%
95,79% 98,42%
75% 75%
95,01%
85%
La ceniza de cáscara de arroz cumple holgadamente con el requisito del índice de actividad puzolánica por el método de la cal. Las diferencias en los valores obtenidos del índice de actividad puzolánica por el método del cemento (NTP 334.066 y ASTM C 311), se deben básicamente a lo siguiente: -
Según la NTP 334.066, la muestra a ensayar contiene un 35% en volumen de puzolana; mientras que de a cuerdo a la norma ASTM C311, la muestra de ensayo contiene solo un 20% en peso de puzolana.
-
En el ensayo de la NTP 334.066, se emplea una mayor cantidad de agua de mezcla con el fin de conseguir una fluidez mayor, del orden del 110 ± 5%.
De los resultados del índice de actividad puzolánica por el método del cemento se deduce que la ceniza de cáscara de arroz desarrolla la mayor parte de su actividad a edades tempranas, siendo por tanto escaso su aporte en las resistencias a largo plazo. La ceniza de cáscara de arroz cumple también con el requisito del índice de actividad puzolánica acelerada con cemento Pórtland. Este ensayo corresponde a la NTP 334.087:1999: CEMENTOS. Adiciones minerales en pastas, morteros y concretos; microsílice. Especificaciones. Se ha empleado esta norma en razón que la ceniza de cáscara de arroz es una puzolana artificial que, con respeto a su aporte a las resistencias de los cementos adicionados, se comporta de manera similar a la microsílice.
4.3
Diseño del cemento Pórtland con adición de la puzolana artificial
4.3.1 Propiedades físicas En la Tabla IX se recogen los resultados de los ensayos físicos del cemento Pórtland adicionado al cual se le incorporó los siguientes porcentajes de la ceniza de cáscara de arroz: 0%,10%,15%,20% y 30%. La superficie específica del cemento Pórtland adicionado es mayor en cuanto mayor es el porcentaje de adición de la ceniza de cáscara de arroz, en razón de la mayor presencia de la adición que aporta una gran área superficial. De igual modo, la densidad del cemento Pórtland adicionado es menor en cuanto mayor es el porcentaje de adición, debido a la menor densidad de la ceniza de cáscara de arroz. Tabla IX. Propiedades físicas del cemento Pórtland adicionado Ensayos físicos Sup. Específica (Blaine), cm2/g Densidad, g/cm3
Adición 0%
Adición 10%
Adición 15%
Adición 20%
Adición 30%
3 560
5 990
6 810
7 780
9 550
3.13
2.97
2.90
2.84
2.70
Retenido M 325, %
12.26
11.80
11.93
11.39
12.25
Relación a/c
0.484
0.500
0.516
0.532
0.560
Fluidez, %
83.4
80.7
85.5
86.2
80.3
257
277
257
260
279
297
364
362
363
347
350
416
408
405
381
Resistencia a 3 días, kg/cm2 Resistencia a 7 días, kg/cm2 Resistencia a 28 días, kg/cm2
En el diseño del cemento Pórtland adicionado se fijó la granulometría a un valor del 12% de retenido en malla 325, aproximadamente. Para la determinación de la resistencia a la compresión del cemento Pórtland adicionado se fijo la fluidez a un valor equivalente a la fluidez del OPC (0% de adición) ± 5%. Es decir la fluidez se fijó a un valor de 83,4% ± 5%. A pesar de haberse fijado la fluidez a un valor determinado, la relación a/c es tanto mayor cuando mayor es el porcentaje de adición. Esto demuestra la tendencia a demandar más agua de la ceniza de cáscara de arroz. Este comportamiento se debe principalmente a la gran área superficial de este tipo de adición. Con respecto a la resistencia a la compresión, los cementos Pórtland adicionados a todas las edades (3, 7 y 28 días) y para todos los porcentajes de adición (10%, 15%, 20% y 30%), presentan mayores resistencias que el OPC.
La resistencia de los cementos Pórtland adicionados a 3 días es hasta 8,6% mayor que la del OPC, a 7 días es hasta 22,6% mayor que la del OPC y a 28 días es hasta 18,9% mayor que la del orco Esto demuestra que la contribución de la ceniza de cáscara de arroz a las resistencias no sólo es a los 3 y 7 días, sino también contribuye con la resistencia del cemento a los 28 días. Los resultados contradicen lo señalado en las referencias bibliográficas y lo que se predecía a partir de los resultados del índice de actividad puzolánica, en cuanto al escaso aporte de la ceniza de cáscara de arroz a las resistencias a largo plazo. Los cementos Pórtland adicionados elaborados presentan mayores resistencias a la compresión que el OPC, a pesar que demandan más agua conforme se incrementa el porcentaje de adición. Los resultados demuestran la viabilidad de la elaboración de los cementos Pórtland adicionados con ceniza de cáscara de arroz con porcentajes de adición de hasta el 30 %. 4.3.2 Ensayo de puzolanicidad A los cementos Pórtland adicionados con 10%, 15%, 20% y 30% de adición de ceniza de cáscara de arroz, se les realizó el ensayo de puzolanicidad. Los resultados se muestran en la siguiente tabla: Tabla X. Ensayo de puzolanicidad (UNE-EN 196-5) Ensayo de puzolanicidad
Adición 10%
Adición 15%
Adición 20%
Adición 30%
Iones (OH)-, mmol/L
38.0
38.7
37.8
17.2
Öxido de calcio, mmol/L
10.3
9.6
8.6
2.3
Cumple
Cumple
Cumple
Cumple
Puzolanicidad 8 días
Todos los cementos Pórtland adicionados elaborados cumplen ya a los 8 días con el ensayo de puzolanicidad. Los resultados del ensayo de puzolanicidad demuestran que la puzolana artificial elaborada posee una gran actividad puzolánica. Incluso para solo un 10% de adición, la sílice amorfa de la ceniza de cáscara de arroz es suficiente para fijar químicamente el hidróxido de calcio liberado en la hidratación del cemento, aportando en consecuencia mayores resistencias al correspondiente I cemento Pórtland adicionado. Se puede aprovechar el carácter altamente puzolánico de la ceniza de cáscara de arroz para contrarrestar las pérdidas en las resistencias tempranas de los cementos y concretos con adición de puzolanas naturales.
5.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se ha desarrollado una puzolana artificial, a nivel laboratorio, a partir de la cáscara de arroz. La cáscara de arroz materia prima del presente estudio contiene de 22 a 23% de ceniza. Las condiciones de calcinación evaluadas han sido el tiempo y la temperatura de calcinación. Se obtuvieron cenizas de las cáscaras calcinadas a las temperaturas de 400, 500, 600, 700, 800 y 900°C. Los criterios para elegir la ceniza más adecuada fueron el índice de actividad de la sílice, el porcentaje de carbón y el análisis por difracción de rayos X. La ceniza óptima fue la obtenida a la temperatura de 400°C por estar básicamente constituida de sílice amorfa, reactiva. La puzolana artificial desarrollada (ceniza de cáscara de arroz), cumple con los requisitos de los índices de actividad puzolánica a través de los cuales ha sido evaluada. Los cementos Pórtland adicionados diseñados presentan mayores resistencias a la compresión que el OPC, a todas las edades (3, 7 y 28 días) y para todos los porcentajes de adición (10%, 15%, 20% y 30%). Dichos resultados demuestran la viabilidad de la elaboración de los cementos Pórtland con incorporación de ceniza de cáscara de arroz, con porcentajes de adición de hasta el 30%. En el Perú, la producción de arroz en cáscara en 1999 fue de aproximadamente dos millones de toneladas, lo que significa 400 000 t de cáscara de arroz disponibles que a su vez representarían 80 000 t de ceniza de cáscara de arroz como materia prima para la elaboración de cemento Pórtland adicionado. De toda esta producción el 50%, esto es 40 000 t de ceniza de cáscara de arroz, pertenecen a la zona de influencia de Cementos Pacasmayo S.A.A. La producción de cemento Pórtland con adición de ceniza de cáscara de arroz es factible de realizarse a escala industrial en plantas pequeñas de cemento como es la Planta de Rioja. Para la elaboración de la ceniza de cáscara de arroz se recomienda emplear una adecuada técnica de calcinación que facilite una combustión controlada para obtener la ceniza requerida. La temperatura de calcinación es un parámetro fijo que debe controlarse ya que una variación de temperatura de ±50 °C varía las características de la ceniza. Se deberá realizar un estudio económico tomando en cuenta la disponibilidad de cáscara presente en nuestro país. De antemano es ventajoso conocer que
la cáscara de arroz es un subproducto contaminante, de bajo costo, que abunda en la zona norte y en la región amazónica.
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