Citation preview
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
17 a 21 de Mayo de 2004 Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Cuyo. Mendoza. Argentina.
Jornadas Sud-Americanas de Ingeniería Estructural
INFLUENCIA DE LA INCORPORACIÓN DE CENIZA DE CÁSCARA DE ARROZ RESIDUAL URUGUAYA COMO MATERIAL CEMENTÍCEO SUPLEMENTARIO EN HORMIGONES DE ALTO DESEMPEÑO Gemma Rodríguez de Sensale, Prof. Agregado, UDELAR-Fac. de Ingeniería-IEM, Uruguay David Reina, Becario, UDELAR-Fac. de Ingeniería-IEM, Uruguay RESUMEN En Uruguay, actualmente, el arroz es el cultivo agrícola de mayor producción; diariamente son generadas de 12 a 15 toneladas de ceniza de cáscara de arroz (CCA) por una sola planta parboilizadora lo cual representa un volumen de residuo muy grande por su superficie específica elevada. Debido a razones económicas y técnicas ha ido creciendo a nivel mundial el empleo de residuos y sub-productos en las industrias del cemento y del hormigón. La posibilidad de desarrollar una aplicación que permita la utilización de la CCA uruguaya es muy significativa para nuestro país, pues es un residuo sin aplicación definida. Cuando se pretende elevar el desempeño del hormigón se pueden utilizar varias alternativas. Uno de los procesos mas usuales es el hormigón de cemento con adiciones minerales y superplastificantes, de forma de obtener una relación agua/aglomerante mas baja. La sílice activa (también llamada sílice fumé, microsílice o humos de sílice) y la CCA son consideradas por el RILEM (1988) adiciones minerales para el hormigón. En nuestro país no hay sílice activa, tampoco hay posibilidades de obtenerla, resultando muy caro el hormigón realizado con esta adición pues es importada y su precio muy elevado. Debido a ello, el objetivo del presente trabajo es estudiar la influencia de la incorporación de CCA residual uruguaya como material cementíceo suplementario en hormigones de alto desempeño (HAD), ya que la composición quimica de ella es similar a la de la sílice activa que se está comercializando actualmente en nuestro país para estos hormigones, en este trabajo se evalúa el comportamiento de HAD con CCA residual uruguaya frente a aspectos relacionados con propiedades mecánicas (resistencia a compresión) y durabilidad (penetración de agua a presión) en diferentes edades, y los resultados son comparados con los obtenidos sin CCA y con sílice activa. Los resultados obtenidos con el empleo de CCA residual uruguaya muestran la viabilidad de la utilización de este residuo como material cementíce suplementario de hormigones de alto desempeño.
-1-
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
1 INTRODUCCION La ceniza de cáscara de arroz es una adición mineral para el hormigón; cuando es producida por combustión controlada es una puzolana altamente reactiva mientras que cuando no lo es, como en el caso de la ceniza de cáscara de arroz uruguaya, es una puzolana común , refs. [1, 2, 3]. En Uruguay el arroz es el cultivo agrícola de mayor producción. La ceniza de cáscara de arroz (CCA) es un residuo obtenido de la quema en caldera de la cáscara de arroz en el proceso de parboilizado. De 12 a 15 toneladas de CCA son generadas diariamente por una sola planta en nuetro país, lo cual representa un volumen de residuo muy grande por su superficie específica muy elevada. La posibilidad de desarrollar una aplicación para la CCA obtenida es muy significativa para nuestro país, pues actualmente es un residuo. La industria de la construcción es la única que puede absorber importantes cantidades de residuos como las que aquí se plantean. La posibilidad de valorizar este residuo es de gran interés, no sólo por las cantidades grandes que son generadas actualmente, sino también si se tiene en cuenta que es viable considerar la posibilidad de aumentar dicha cantidad instalando quemadores para quemar toda la cáscara de arroz producida en los molinos del Uruguay, lo cual incrementaría enormemente la cantidad del residuo obtenido (la cáscara de arroz constituye aproximadamente un 20% del arroz, y su ceniza un 20% de la cáscara de arroz). Esta solución contribuiría a resolver el problema ambiental que enfrenta el Uruguay por la forma actual de disposición de cáscara de arroz y por la cantidad del residuo producido, que genera serios problemas ambientales en algunos departamentos de nuestro país, siendo por ello fundamental contribuir para el futuro empleo de este residuo. Cuando se pretende elevar el desempeño del hormigón se pueden utilizar varias alternativas. Uno de los procesos más usuales es el hormigón de cemento con adiciones minerales y superplastificantes, de forma de obtener una relación agua/aglomerante más baja. La sílice activa (también llamada sílice fumé, humos de sílice o microsílice, siendo ésta última una marca registrada), cenizas volantes, ceniza de cáscara de arroz son consideradas por la referencia [1] adiciones minerales para el hormigón. A nivel mundial la experiencia que se encuentra con adiciones minerales es con sílice activa, existiendo un apreciable número de investigaciones publicadas que propician una directriz segura para la producción y el empleo de este material en obras. En nuestro país no hay sílice activa, tampoco hay posibilidades de obtenerla, resultando muy caro el hormigón realizado con esta adición pues es importada y su precio muy elevado. Debido a ello, se tiene interés en valorizar la ceniza de cáscara de arroz residual uruguaya mediante su utilización como adición mineral al hormigón, ya que la composición química de ella es similar a la de la sílice activa que se comercializa actualmente, lo cual motiva la realización del presente trabajo. En trabajos anteriores, referencias , refs. [4, 5], se ha estudiado los efectos de la sustitución de diferentes porcentajes de cemento Pórtland por CCA residual uruguaya en propiedades mecánicas básicas de hormigones de alto desempeño y convencionales, a los efectos de definir algunas propiedades básicas del material: resistencia a la compresión, resistencia a la tracción y módulo de elasticidad, verificando la influencia de la relación agua/aglomerante y del porcentaje de ceniza de cáscara de arroz incorporado en todas ellas, y además la influencia de la edad en la resistencia a compresión. Además, fue presentada una comparación entre los resultados obtenidos con ceniza de cáscara de arroz residual y los de otras investigaciones con ceniza de cáscara de arroz obtenida con control de combustión, refs. [6, 7, 8, 9]. Por ello, con este trabajo se pretende avanzar un paso mas en la contribución para el futuro empleo de esta ceniza y comparar su comportamiento con el de la -2-
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
sílice activa que se comercializa en nuestro país, a los efectos contribuir para su utilización como adición mineral para hormigones de alto desempeño y con ello posibilitar que ella deje de ser un residuo sin aplicación específica para pasar a ser un sub-producto de la industria de la construcción. Además de eso, dentro del contexto actual de aprovechamiento de residuos y generación de nuevos materiales, este trabajo pretende contribuir para el futuro empleo de residuos industriales y agrícolas que todavía no poseen aplicación específica, como la ceniza de cáscara de arroz, y que generan serios problemas ambientales. Investigando y divulgando las investigaciones sobre el asunto, se torna este residuo mas conocido por el medio técnico, principalmente en lo relativo a sus potencialidades, lo que puede fortalecer su consumo para mejorar la preservación del medio ambiente en beneficio de la sociedad moderna. 2 CARACTERÍSTICAS DE LA CENIZA DE CÁSCARA DE ARROZ El arroz (Oryza sativa) es una de las plantas que contiene mayores cantidades de silicatos, principalmente en la cáscara. El silicio contenido en la cáscara de arroz se encuentra, aparentemente en una forma amorfa hidratada de sílice, con una estructura en estado similar al vítreo o en forma de gel [10]. Cuando sufre combustión, cerca de 20% de la cáscara es convertida en ceniza permaneciendo una estructura celular, porosa, con alta superficie específica (50 a 100m2/g) y gran cantidad de sílice (85 a 95%). La ceniza puede presentar coloraciones que varían entre el negro, el ceniza y el blanco-rosado; lo cual está asociado con el proceso de combustión y con las transformaciones estructurales que ocurren en el material frente a variación de la temperatura. Cuanto mas oscura, mayor es el porcentaje de carbono, o sea, mayor es la cantidad de matera orgánica no quemada. La composición química de la ceniza de cáscara de arroz depende de la temperatura y tiempo de quema, pero refs. [10 y 11] concluyen que las variaciones de los elementos no son significativas y los porcentajes de sílice generalmente se encuentran entre 88 y 95%. Las diferencias ocurren cuando se analiza la morfología de las cenizas obtenidas con diferentes temperaturas de quema. Diversos trabajos, como ref. [12], han demostrado que la estructura de la sílice contenida en la ceniza es afectada por la temperatura y tiempo de quema a la cual es sometida la cáscara. Esas transformaciones estructurales influirán sobre la reactividad o habilidad de la ceniza para combinarse con los productos de hidratación del cemento. La ceniza formada durante la quema a cielo abierto o por la combustión no controlada en hornos industriales, generalmente contiene gran proporción de minerales de sílice no reactivos tales como la cristobalita y la tridimita, y debe ser molida a tamaños de partículas muy finas, para desarrollar actividad puzolánica. Por otro lado, una ceniza altamente puzolánica puede ser producida por combustión controlada cuando la sílice es mantenida en forma no cristalina y en estructura celular . Esta sílice puede reaccionar, cuando es adicionada al cemento y en presencia de agua, con el hidróxido de calcio, dando lugar a compuestos cementíceos, [12]. La mayoría de los investigadores confirman que la temperatura de quema es el punto crítico en la obtención de una ceniza amorfa y reactiva. AL-KHALAF y YOUSIFT, citados por [3] constataron eso en testes con cenizas obtenidas por temperaturas de quema de 450ºC a 700ºC, en un tiempo fijo de 2 horas, molidas, en un molino del tipo utilizado en el ensayo de abrasión (molino Los Angeles) por tiempos que variaron de 1 a 6 horas, con incrementos de 1 hora. Mediante análisis de difracción de rayos-X, no detectaron el -3-
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
desarrollo de fases cristalinas de sílice en las temperaturas testadas por 3 y 4 horas. Por otro lado, con ceniza quemada a 850º C por 2 horas, los resultados indicaron la presencia de cuarzo. El estudio reveló además que la finura de la ceniza aumentó proporcionalmente al tiempo de molienda, cuyos valores máximos correspondieron a las temperaturas de 450 a 500º C . Tomando como base ésto, también fue investigada la actividad puzolánica con el cemento. Los resultados indicaron que, en general, la actividad puzolánica crece con el aumento de la superficie específica y con la disminución de la temperatura de quema. Además de eso, la actividade puzolánica mínima requerida por la ASTM C 618/78 puede ser obtenida cuando la superficie de la ceniza de cáscara de arroz es de 11,50m2/g que corresponde a un tiempo de molienda de 1hora y media. En ref. [13] se evaluó la eficiencia del proceso de molienda mediante la medida de la superficie específica, obtenida en ceniza quemada sin control de temperatura. Los resultados mostraron claramente el crecimiento del área superficial con el aumento del tiempo de molienda. Para los diferentes tiempos de molienda, las muestras de ceniza fueron sometidas a ensayo de puzolanicidad con cal por la NBR 5751, que indicó también un crecimento de la resistencia a compresión a los 7 días con el aumento de la superficie específica. Existe consenso en la literatura con relación al aparecimiento de fases cristalinas en la sílice contenida en la ceniza de cáscara de arroz obtenida con temperaturas elevadas de quema. Además de eso, los resultados apuntan también para la influencia del tratamiento térmico en las características físicas de la ceniza de cáscara de arroz, principalmente en relación a la finura y área superficial. 3 INFLUENCIA DE LA CENIZA DE CÁSCARA DE ARROZ EN LAS PROPIEDADES DEL HORMIGÓN La ceniza de cáscara de arroz es una adición mineral para el hormigón. Las adiciones minerales tienen influencia benéfica sobre las propiedades resistentes y de durabilidad del hormigón. Sobre los aspectos relacionados con la durabilidad del hormigón, dichas adiciones influyen principalmente con relación a la porosidad y permeabilidad. Según Malhotra y Mehta [3], desde el punto de vista de la permeabilidad y durabilidad, los efectos de las adiciones minerales puzolánicas son, probablemente, mas importantes en el hormigón que en la pasta endurecida de cemento, pues la permeabilidad del hormigón e mucho mayor que la de la pasta de cemento debido a las microfisuras de la zona de transición. Según Isaia [15], la acción química via reacciones puzolánicas refuerza la acción física, segmentando en mayor grado los poros y refinando, a medida que la edad aumenta, los granos de hidróxido de calcio. La adiciones minerales influyen en muchos aspectos, algunos son favorecidos por los efectos físicos asociados con el tamaño de las partículas, generalmente mas finas que las del cemento Portland, y otras por las reacciones puzolánicas y cementíceas [2]. En el caso de la ceniza de cáscara de arroz, el efecto químico está relacionado con el hecho de que el material sea altamente puzolánico, combinándose rápidamente con el hidróxido de calcio y formando C-S-H secundario; el efecto físico está relacionado con el tamaño de las partículas (menores que 45 µm en media), ocasionando un refinamiento de la estructura de los poros, actuando como puntos de nucleación para los productos de hidratación y restringiendo el crecimiento de los cristales generados en el proceso de hidratación. Manmohan y Mehta, citados en [14] muestran que adiciones minerales tales como la ceniza de cáscara de arroz y la sílice activa, causan considerable refinamiento de poros, o sea, transforman poros largos en menores, proceso que promueve un aumento significativo en la resistencia a compresión, y una disminución substancial en la permeabilidad. -4-
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
Cuando la ceniza de cáscara de arroz es quemada a baja temperatura es un material altamente puzolánico, y las reacciones que envuelven dicha ceniza son rápidas, [14],no necesitándose largos períodos de cura para obtener las resistencias deseadas. Cuando no es quemada por combustión controlada está dentro de la clasificación de puzolana poco reactiva. En el caso de la ceniza de cáscara de arroz, las variaciones relativas al tiempo en que se inicia la reacción puzolánica son influenciadas no sólo por las condiciones de formación de la ceniza (tiempo y temperatura de quema ), y cantidad de ceniza y cal o cemento, sino también por sus características físicas, en particular su finura, [3]. De allí la importancia de optimizar la CCA cuando ella no es obtenida por combustión controlada. En las refs. [2, 3, 6, 7, 14, 16] se comenta sobre el aumento de la resistencia de los hormigones con empleo de ceniza de cáscara de arroz obtenida con control de combustión, y se tienen escasos estudios relativos a resultados en hormigones con ceniza obtenida sin control. Actualmente, en Uruguay, la ceniza de cáscara de arroz es un residuo de las industrias parboilizadoras de arroz, proveniente de la quema de la cáscara utilizada como fuente energética para el secado de los granos. A nivel mundial, el interés del surgimiento de nuevos materiales está volcado principalmente para la utilización de adiciones minerales en hormigones de alto desempeño, con énfasis en el aprovechamiento de residuos y sub-productos industriales, como la ceniza volante, la sílice activa, la escoria granulada de alto-horno y la ceniza de cáscara de arroz, cuya producción mundial está aumentando cada año. De allí surgió el interés de investigar la influencia de la ceniza de cáscara de arroz residual uruguaya en hormigones. En refs. [8,9] sustituyendo cemento Pórtland por CCA residual uruguaya ensayos de resistencia a compresión, a los 28 días de edad, que fueron corroborados estadísticamente y también con análisis de microestructura mostrándose que aunque esta ceniza no sea la mas ideal para ser empleada en hormigones, ella tiene un porcentaje de sílice amorfa reaccionando, y tiene un efecto similar a los 28 días de edad que la CCA obtenida con control de combustión cuando después de molida tiene un tamaño medio de partículas de 7-8 µ m, óptimo según Mehta [16]. La ceniza residual utilizada en estos trabajos tenía una superficie específica (área BET , por absorción de nitrógeno) de 41.02 m2/g . Los resultados obtenidos mostraron la viabilidad de la utilización de este residuo y la necesidad de continuar profundizando en el estudio del comportamiento de hormigones con CCA residual uruguaya a los efectos de poder contribuir para una mayor incorporación de este residuo en la industria de la construcción civil. En refs. [4,5] se presentaron los efectos de la substitución de diferentes porcentajes de cemento Pórtland por ceniza de cáscara de arroz residual uruguaya en propiedades mecánicas básicas de hormigones de alto desempeño y convencionales (resistencia a la compresión, resistencia a la tracción y módulo de elasticidad) verificándose la influencia de la relación agua/aglomerante y del porcentaje de ceniza de cáscara de arroz incorporado en todas ellas, y además la influencia de la edad en la resistencia a compresión. La ceniza de cáscara de arroz residual utilizada en estos trabajos tenía un tiempo de molienda optimizado mediante estudios previos de área BET , por absorción de nitrógeno, e índice de actividad puzolánica; el tamaño medio de partículas de la CCA residual optimizada era de 7 µm y la superficie específicas por el método BET de 28,8 m2/g . Para todas las propiedades mecánicas estudiadas en estos trabajos, los hormigones presentaron aumentos de los valores medios obtenidos al disminuir la relación agua/aglomerante. En la resistencia a compresión también se presentaron aumentos de los valores medios obtenidos al aumentar la edad. En relación a la resistencia a compresión los resultados de los ensayos presentados mostraron que para hormigones convencionales con 5% de CCA residual hay aumento de la resistencia a compresión en todas las edades, mientras que con 10% los valores con y sin CCA no difieren entre sí estadísticamente hasta los 28 días de edad, aumentando la resistencia a compresión con el empleo -5-
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
de la misma en las edades superiores cualquiera sea el porcentaje empleado; mientras que para hormigones de alto desempeño con relaciones agua/aglomerante de 0,40 y menores en todas las edades empleando CCA se obtienen resultados de resistencia a compresión mayores que sin emplearla. En relación a la influencia del porcentaje de ceniza residual en la resistencia a tracción por flexión para hormigones convencionales los valores obtenidos en los hormigones con y sin CCA no diferían significativamente entre sí mientras que en los hormigones de alto desempeño los resultados obtenidos con su empleo eran siempre superiores a los del hormigón de control, excepto en la relación agua/aglomerante de 0,32 con 15% y 20% de CCA donde la resistencia a tracción por flexión disminuía en relación al hormigón de control. En relación a la influencia del porcentaje de CCA residual en el módulo de elasticidad los valores obtenidos en los hormigones con CCA son mayores que los obtenidos sin ella. En el presente trabajo el objetivo es estudiar la influencia de la incorporación de CCA residual uruguaya como material cementíceo suplementario en hormigones de alto desempeño (HAD) y, ya que la composición quimica de ella es similar a la de la sílice activa que se está comercializando actualmente en nuestro país, comparar el comportamiento de HAD con CCA residual uruguaya y sílice activa frente a aspectos relacionados con propiedades mecánicas (resistencia a compresión) y durabilidad (penetración de agua a presión) en diferentes edades continuando las investigaciones presentadas en referencias [4,5,8,9] 4 INVESTIGACION EXPERIMENTAL Para la obtención de los parámetros que caracterizan el hormigón de alto desempeño con CCA residual uruguaya, con sílice activa y el de control,en este trabajo se procedió a la realización de ensayos mecánicos de resistencia a la compresión (fc), y de penetración de agua a presión en lo relativo a durabilidad. A los efectos de complementar el estudio de las adiciones minerales empleadas se hicieron también ensayos relativos a índice de actividad puzolánica. A continuación se describen los datos y características de los procedimientos y materiales utilizados. 4.1 PLANEAMIENTO DE LOS ENSAYOS En esta investigación, fue empleado un proyecto de experimento completo. Para caracterizar el hormigón de alto desempeño se empleó la relación agua/aglomerante de 0,28 y se definieron previamente las variables a considerar para cada propiedad . Fueron definidas las siguientes variables: a) Substituciones de 0 y 7,5% de ceniza de cáscara de arroz y sílice activa por cemento Pórtland. b) Edades de 7, 28, 63 y 91 días para la resistencia a compresión, mientras que para penetración de agua a presión se consideraron las edades de 28 y 91 días. Después de definidas las variables controladas, siendo el número de probetas de cada muestra n=3 para cada variable y propiedad analizada , se pasó a la ejecución de los ensayos. 4.2 METODOLOGIA PARA EJECUCION DE LOS ENSAYOS La ejecución de los ensayos fue programada optándose por distribuír aleatoriamente la confección de las probetas a los efectos de garantizar la representatividad de los resultados y minimizar la influencia de las variables que no podrían ser controladas, tales como la temperatura, humedad relativa del aire, etc. -6-
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
Los métodos de ensayo adoptados fueron basados en normas Mercosur (NM), para la determinación de la resistencia a compresión se empleó la NM 101-97 [17] mientras que para la penetración de agua a presión se empleó la NM 57-96 [18]. Los materiales y procedimientos utilizados para la ejecución del programa experimental están descriptos a continuación: 4.2.1 Selección y caracterización de los materiales 4.2.1.1 Cemento Fue utilizado Cemento Pórtland común, cuyas características químicas, físicas y mecánicas están presentadas en la Tabla 1 4.2.1.2 Agregados El agregado fino utilizado para los hormigones fue arena de origen cuarzoso , con módulo de finura igual a 3,03 y peso específico de 2,63 g/cm3 . El agregado grueso utilizado fue de origen granítico, con dimensión máxima característica de 12,5 mm y peso específico aparente de 2,65 g/cm3. Todo el agregado fue lavado y secado. 4.2.1.3 Agua Se utilizó agua proveniente de la red de abastecimiento local. 4.2.1.4 Aditivo superplastificante Se utilizó aditivo superplastificante a base de naftaleno sulfonado con densidad de 1,20 y porcentaje de sólidos de 42%. 4.2.1.5 Adiciones minerales Se utilizaron dos adiciones minerales: ceniza de cáscara de arroz (CCA) y sílice activa (SA). La ceniza de cáscara de arroz (CCA) utilizada en este trabajo es producida sin control de temperatura ni de tiempo de exposición, del único productor de CCA en Uruguay que es ARROZUR S.A.. Esta ceniza es producida por un proceso automatizado, en el proceso de quema de la cáscara para la generación de calor para la parboilización de los granos de arroz, en el cual no hay control de temperatura de quema, controlándose la presión de vapor generada en función de esta quema. Una vez quemada la cáscara de arroz la ceniza es llevada por una corriente de agua a travez de canales hasta lagunas donde después de estar depositada un tiempo, fijado por la Oficina de Medio Ambiente, es retirada teniendo luego un secado al aire. Las características de la ceniza así obtenida constan en la Tabla 1 siendo el tamaño medio de sus partículas de 64 µm y su espectro de difracción de rayos-X según se muestra en la Figura 1 presenta algunos picos cristalinos de cristobalita. Debido a lo mencionado anteriormente la ceniza de cáscara de arroz no se encuentra en estado seco, por lo que para su utilización en este trabajo fue previamente secada en estufa y luego sometida a un proceso de molienda donde se utilizó un molino de muelas. El tiempo de molienda para la ceniza fue definido en función de los resultados de determinaciones de tamaño medio de partículas con láser hasta que el mismo fue de 7-8 µm y la superficie específica según ref. [16], con lo cual se tuvo el mayor índice de actividad puzolánica de esta ceniza con el cemento. Así, el tiempo de molienda óptimo para la CCA de Uruguay produjo una superficie específica por el método BET de la CCA molida de 28,8 m2/g y el índice de actividad puzolánica según la norma ASTM C311-02 [19] que se presenta en la Tabla 2.
-7-
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
Tabla 1 - Caracterización del cemento y las adiciones minerales utilizadas en los hormigones Propiedades físicas Peso especifico absoluto, kg/m3 Finura, Blaine, m2/kg Finura, absorción por nitrogeno, m2/g Agua de la pasta de cons. normal, % Inicio de fraguado, hs:min Fin de fraguado, hs:min Análisis químico, % Oxido de silicio (SiO2) Oxido de aluminio (Al2O3) Oxido de hierro (Fe2O3) Oxido de calcio Total (CaO) Oxido de magnesio (MgO) Oxido de manganeso (MnO) Oxido de sodio (Na2O) Oxido de potasio (K2O) Oxido de azufre (SO3) Oxido de fósforo (P2O5) Pérdida al fuego Residuo insoluble Composición Potencial, % Silicato tricálcico (C3S) Silicato Dicálcico (C2S) Aluminato tricálcico (C3A) Ferroaluminato tetracálcico (C4AF) Propiedades Mecánicas, MPa Resistencia a la compresión 1 día 7 días 28 días Resistencia a la flexión 1 día 7 días 28 días
Cemento
CCA uruguaya
Sílice activa
3140 309 23,3 2:25 4:35
2060 28,8 -
2200 20 -
21,98 4,65 2,27 61,55 4,27 0,11 1,04 2,19 2,30 1,30
87,2 0,15 0,16 0,55 0,35 1,12 3,60 0,32 6,55 -
83 2,5 2,5 0,80 3 0,50 1,55 0,25 2,39
44,0 29,9 8,5 6,9
-
-
10,1 33,1 45,1
-
-
2,6 6,0 7,5
-
-
Figura 1 – Difracción de rayos-X de la ceniza de cáscara de arroz residual uruguaya empleada -8-
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
Tabla 2 – Indice de actividad puzolánica de las adiciones minerales usadas Adición mineral
IAP (%)
Ceniza de cáscara de arroz residual uruguaya
94,45
Sílice activa
76,09
La sílice activa (SA) que se comercializa en Uruguay es importada, ya que no hay posiblidades de obtenerla, y su costo es muy alto; su composición quimica se encuentra en la Tabla 1. Ella se comercializa en la forma de microesferas (aglomerado de partículas) y está compuesta de partículas esféricas de sílice amorfa (vítrea) de color ceniza oscuro. En la Tabla 2 se presenta el índice de actividad puzolánica obtenido con la sílice activa empleada, según la norma ASTM C311-02 [19]. 4.2.2 Dosificación de los materiales La dosificación de los materiales para la ejecución del hormigón fue determinada considerando la relación agua/aglomerante de 0,28 utilizando la metodología presentada por Mehta y Aitcin [20]. La sustitución de cemento por las adiciones minerales fue de 7,5% en peso de cemento. La Tabla 3 presenta la dosificación de los materiales utilizados para la realización de los hormigones de este trabajo y el aditivo empleado que está dado en porcentaje relativo al peso del aglomerante. La cantidad de agua fue alterada en el momento de la mezcla llevando en consideración que el aditivo contiene 42% de sólidos por lo que aproximadamente 58% de la cantidad de aditivo utilizado está constituída por agua. Tabla 3 – Cantidad de materiales para la realización de los hormigones a/cemento 0,28
Cemento (kg/m3) 565
Agregado Fino (kg/m3) 670
Agregado Grueso (kg/m3) 1070
Aditivo (%) 1,75
4.2.3 Producción y preparación de las probetas La mezcla de los materiales fue hecha en hormigonera de eje inclinado. Transcurrido el período de mezcla (3 minutos) fue medido el abatimiento de tronco de cono según la NM 67-96, ref. [21]. Los valores obtenidos se encuentran resumidos en la Tabla 4. Se puede observar que para la cantidad de aditivo fijada en este trabajo el empleo de adiciones minerales disminuyó el abatimiento en relación al del hormigón de control, siendo considerable sobre todo cuando se sustituyó cemento portland por sílice activa. Tabla 4 – Abatimientos obtenidos Adición mineral
Abatimientos
(%)
(cm)
0
16
7,5 CCA
11,25
7,5 SA
4 -9-
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
Para la determinación de la resistencia a compresión fueron realizadas probetas cilíndricas de 10 x 20 cm; y para la determinación de la penetración de agua a presión fueron llenadas probetas prismáticas de 25 x 25 x 12,5 cm. El proceso de adensamiento adoptado fue mediante vibrado . Después de llenados los moldes fueron etiquetados, cubiertos y mantenidos en ambiente de laboratorio por aproximadamente 24 horas. Pasado ese período, se procedía al desmolde y las probetas para ensayos de compresión eran colocadas en cámara húmeda con humedad relativa superior a 90 % y temperatura de 23 ± 2° C hasta la fecha de rotura, siendo retiradas de la cámara húmeda una hora antes del ensayo, mientras que en las probetas destinadas a determinación de penetración de agua a presión se sometía la superficie a exponer a la presión de agua al tratamiento indicado en la NM 57-96 [18] y luego de transcurridas 24 horas las probetas eran colocadas en cámara húmeda hasta el momento de la realización del ensayo. Para la determinación de la resistencia a la compresión se optó por el empleo de neopreno de dureza 70 pues los encabezados tradicionales no son recomendados para trabajar con hormigones de alta resistencia. 5 PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS En este ítem se presentan, analizan, interpretan y discuten los resultados obtenidos en los ensayos realizados en el programa experimental descrito en el ítem 2. 5.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN La Tabla 5 resume los resultados obtenidos para resistencia a compresión uniaxial de los hormigones con CCA residual uruguaya, con sílice activa (SA) y el hormigón de control, donde cada valor presentado representa la media (MPa), el desvio padrón (MPa) y el coeficiente de variación (%) de tres observaciones experimentales. Tabla 5 - Resistencia a la compresión - Parámetros estadísticos básicos agua/aglom.
Edad
Sustitución
Media
Desvío
CV
(días)
(%)
(MPa)
(MPa)
(%)
0
55,34
1,41
2,56
7,5 CCA
51,64
0,82
1,59
7,5 SA
52,16
4,1
7,86
0
64,58
4,15
6,43
7,5 CCA
64,7
4,11
6,36
7,5 SA
69,43
2,97
4,28
0
70,88
1,88
2,65
7,5 CCA
74,49
4,58
6,15
7,5 SA
74,44
3,19
4,29
0
73,57
3,25
4,42
7,5 CCA
83,33
1,56
1,87
7,5 SA
77,76
3,49
4,49
7
28 0,28 63
91
- 10 -
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
En la Figura 2 se presenta la relación entre la resistencia a compresión y la edad para los diferentes hormigones estudiados, donde se observa que la variación del crecimento de la resistencia a la compresión con la edad (grado de hidratación), para las diferentes sustituciones estudiadas, ocurre de forma similar, el crecimiento es mas rápido hasta los 28 días, siendo el crecimiento de los 63 a los 91 días muy pequeño; observándose un comportamiento diferenciado de la acción de las adiciones minerales empleadas en las diferentes edades estudiadas.
90
fc (MPa)
80 70 60 50 40 0
20
40
60
80
Edad (días)
0 100 CCA SA
Figura 2 - Resistencia a la compresión en función de la edad Los valores obtenidos a los 7 días de edad muestran que la sílice activa y la ceniza no se han combinado rápidamente con el hidróxido de calcio para formar silicato de calcio adicional, que es el principal producto responsable por la resistencia; mientras que a los 28 días ya se evidencia su acción química como materiales puzolánicos reactivos siendo mayor y mas temprana con el empleo de sílice activa. Se observa que los valores de resistencia a compresión del hormigón de control a los 28 días de edad no son alterados cuando se emplea CCA residual; a partir de este punto, el crecimiento de la resistencia en los hormigones con CCA es mayor. Con el empleo de sílice activa este punto ocurre antes de esa edad por lo que la acción química de esta adición mineral ocurre antes que con la CCA. La resistencia a compresión de los hormigones obtenida a los 63 días de edad sustituyendo 7,5% de cemento Pórtland por sílice activa o por CCA residual uruguaya no difiere, siendo 5% mayor que la obtenida en el hormigón de control; a los 91 días de edad los aumentos de resistencia obtenidos con el empleo de CCA y sílice activa son mayores en 13% y 5%, respectivamente, que en el hormigón de control. Por lo que, considerando el punto en que el crecimiento de la resistencia en los hormigones con adiciones minerales es mayor que sin ellas, los resultados obtenidos muestran que los aumentos obtenidos con el empleo de sílice activa son constantes y próximos al 5% mientras que con el empleo de CCA los aumentos son mayores cuanto mayor es la edad La ceniza de cáscara de arroz presenta una estructura celular, con superficie microporosa. Cuando es altamente puzolánica, reacciona rápidamente en el ambiente alcalino resultante de la hidratación del cemento Portland y comienzan las reacciones puzolánicas a partir de 1 día de edad mientras que con sílice activa comienzan poco después [3, 6]. Por otro lado, cuando la CCA no es altamente reactiva es necesario un período de inducción para activar la superficie en el ambiente alcalino resultante de la hidratación del cemento Portland. Por ello considerando que la resistencia a compresión de los hormigones con adiciones minerales a los 7 días de edad es inferior a la del - 11 -
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
hormigón de control, los resultados corroboran que la CCA residual uruguaya y la sílice activa empleadas en este trabajo no son puzolanas altamente reactiva como las empleadas por refs. [3, 6, 7] pero se combinan con el hidróxido de calcio para formar silicato de calcio adicional, que es el principal producto responsable por la resistencia, evidenciándose su acción química como materiales puzolánicos reactivos a los 28 días de edad con el empleo de CCA y mas tempranamente con sílice activa. Cabe también observar que debido a que fue hecha sustitución de cemento por ceniza de cáscara de arroz y por sílice activa probablemente fue reducida la cantidad de clínquer, entonces las reacciones producidas por la hidratación del cemento Portland y el comienzo de las reacciones puzolánicas fueron alteradas lo cual también puede justificar la edad mas avanzada en que ocurren los aumentos de resistencia. 5.2 PENETRACIÓN DE AGUA A PRESIÓN La durabilidad del hormigón depende de muchos factores. La permeabilidad es una de las propiedades mas importantes cuando se pretende conseguir un hormigón durable. Con respecto a la permeabilidad, se considera que es la aptitud de un material a ser atravesado por un fluido sometido a un gradiente de presión (fenómeno regido por la ley de Darcy) [22]. La disminución de los canalículos interconectados disminuye la permeabilidad, por lo tanto aumenta la durabilidad. De allí que en este trabajo se emplee la NM 57/96 [18] relativa a determinación de la penetración de agua a presión pues ofrece información aplicable en la caracterización de la durabilidad del hormigón al brindar indicadores de potenciales comportamientos de durabilidad [23]. La Tabla 6 y la Figura 3 resumen los resultados relativos a determinación de la penetración de agua a presión de los hormigones con ceniza de cáscara de arroz residual uruguaya (CCA), con sílice activa (A) y el hormigón de control . Tabla 6 – Penetración de agua a presión según NM 57/96 [18] a/aglom
Sustitución (%) 0
0,28
5% CCA
Valor medio (mm) 9,65 7,46 12,92 1,1 8,24 5,15
14
24
12
22
10
Valor Máximo (mm)
Valor medio (mm)
5% SA
Edad (días) 28 91 28 91 28 91
Control
8
CCA
6
SA
4 2 0
Valor máx. (mm) 16 14,5 21,5 11 14 12
20
Control
18
CCA
16
SA
14 12 10
25
75
25
Edad (días)
75 Edad (días)
Figura 3 – Penetración de agua a presión en función de la edad - 12 -
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
En la Figura 3 se observa que los resultados obtenidos en el ensayo de determinación de la penetración de agua a presión de los hormigones son coherentes con los resultados obtenidos de resistencia a compresión, excepto en los hormigones con CCA a los 28 días de edad; ello es debido a la presencia de algunos agregados gruesos de tamaño mayor con una zona de transición mas porosa que altera el resultado del ensayo, lo cual es apreciable en el resultado del valor máximo del frente de penetración de agua. 6 CONSIDERACIONES FINALES Y CONCLUSIONES En la literatura internacional se habla del aumento de la resistencia y la durabilidad de los hormigones con CCA cuando es obtenida por combustión controlada, y se tienen pocos trabajos relativos a la influencia de la incorporación de ceniza de cáscara de arroz residual en el comportamiento de hormigones. Por ello este trabajo continúa una línea de investigación iniciada hace cuatro años relativa a la influencia de la incorporación de ceniza de cáscara de arroz uruguaya en las propiedades de hormigones. Los resultados presentados relativos al comportamiento de HAD con CCA residual uruguaya frente a aspectos relacionados con propiedades mecánicas (resistencia a compresión) y durabilidad (penetración de agua a presión) en diferentes edades fueron comparados con los obtenidos sin CCA y con sílice activa y permiten concluir que la CCA residual uruguaya, aunque es obtenida sin control de combustión, cuando se optimiza su tamaño medio de partículas y superficie específica como en este trabajo, mediante molienda, tiene en el tiempo un efecto benéfico en los hormigones. Los resultados obtenidos muestran la viabilidad de la utilización de este residuo como material cementíceo suplementario de hormigones de alto desempeño, motivo por el cual es muy importante continuar profundizando en el estudio del comportamiento de hormigones con ceniza de cáscara de arroz residual a los efectos de poder contribuir para una mayor incorporación de este residuo en la industria de la construcción civil. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Rilem Technical Reports, “Final Report: Siliceous by-products for use in concrete. Materials and Structures”, vol.21, No.121, p.69-80, 1988. [2] Mehta, P.K. , Monteiro, P.J.M, “Concreto: estrutura, propriedades e materiais” . Ed. PINI, 1a. Edição, São Paulo, Brasil, 1994. [3] Malhotra, V.M., Mehta, P.K. , “Pozzolanic and Cementitious Materials”. Advances in Concrete Technology, vol. 1, Gordon and Breach Publishers, Canada, 1996. [4] Rodriguez de Sensale, G., Pereira, E., Finochio, P., Bouvier, P. “Influencia de la incorporación de ceniza de cáscara de arroz residual en hormigones de de alto desempeño y convencionales”, XXX Jornadas Sudamericanas de Ing. Estructural, 16 p., versión electrónica (CD-ROM), Brasilia, Mayo 27 a 31, 2002 [5] Rodríguez de Sensale, G. “High Performance Concrete with Residual Rice-Husk Ash”. Role of Concrete in Sustainable Development”, vol.1, Thomas Telford Ltd. Publishers, London, 2003, pp. 255-264. [6] Zhang, M.H., Malhotra, V.M.,” High-performance concrete incorporating rice husk ash as a supplementary cementing material”.ACI Mat. Journal, November-December, p.629-636, 1996 [7] Zhang, M.H., Lastra, R., Malhotra, V.M., “ Rice-husk ash paste and concrete: some aspects of hydratation and the microestructure of the interfacial zone between the aggregate and paste”. Cement and Concrete Research, vol. 26, n.6, p.963-977, 1996. [8] Rodríguez de Sensale, G.," Estudo comparativo entre as propriedades mecanicas dos concretos de alta resistencia e convencionais com cinza de casca de arroz", Tesis (Doctorado), 182 p., - 13 -
X X X I
J O R N A D A S
S U D - A M E R I C A N A S
D E
I N G E N I E R Í A
E S T R U C T U R A L
Universidad Federal de Rio Grande del Sur, Porto Alegre , Brasil, 2000. [9] Rodriguez de Sensale, G., Dal Molin, D.C.C. “Estudio comparativo entre las propiedades mecánicas de hormigones de alta resistencia y convencionales con ceniza de cáscara de arroz”,XXIX Jornadas Sudamericanas de Ing. Estructural, 20 p., versión electrónica (CDROM), Uruguay, Noviembre 15 a 17, 2000 [10] Houston, D.F. “Rice Hulls”, en: Rice: Chemistry and Technology, American Association of Cereal Chemists (AACC), USA, 1972, p.301-352. [11] Hwang, L., Wu, S., “ Properties of Cement Paste Containing Rice usk Ash”, en: “Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete”, 1989, Trondheim, Norway, Proceedings... CANMET, ACI SP-114, 1989, p.733-762. [12] James, J.; Rao, M.S., “Reactivity of rice husk ash”, Cement and Concrete Research, Vol.16, 1986, p.296-302. [13] Guedert, L.O. “Estudo da viabilidade técnica e econômica do aproveitamento da cinza de casca de arroz como material pozolanico”, Dissertação (Mestrado), Florianópolis, 1989, 147p. [14] Mehta, P.K. “Rice Hush Ash - A unique supplementary cementing material”, en: Advances in Concrete Technology, Athens, 1992. Proceedings ... Ontario: CANMET, 2a. edição, 1992, p.419-443. [15] Isaia, G.C. “Efeito de Misturas Binarias e Ternarias de Pozolanas em Concreto de Elevado Desempenho: Um Estudo de Durabilidade com Vistas a Corrosão de Armaduras”, São Paulo, 1995. Tese (Doutorado). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. [16] Mehta, P.K., “ Highly durable cement products containing siliceous ashes”. United States Patent Number 5,346,548. Sep.13, 1994 , 15p. 1994 [17] Comité Mercosur de Normalizacion, “Hormigón - Ensayo de compresión de probetas cilíndricas”. Norma Mercosur NM 101/97, 1997. [18] Comité Mercosur de Normalizacion, “Hormigón endurecido – Determinación de la penetración de agua a presión”. Norma Mercosur NM 57/96, 1996. [19] American Society for Testing and Materials, “Standard Test Method for Sampling and Testing Fly Ash and Natural Pozzolans for use as a Mineral Admixture in Portland-Cement Concrete”, ASTM C311-02. Philadelphia, 2002. [20] Mehta, P.K., Aitcin, P.C., “ Principles underlying production of high-performance concrete”. Cement, Concrete and Aggregates, Philadelphia, v.12, n.2, p.70-78, Winter, 1990 [21] Comité Mercosur de Normalización, “Hormigón - Determinación de la consistencia mediante el asentamiento del tronco de cono”. Norma Mercosur NM 67/96, 1996. [22] Fernández Luco, L. “La durabilidad del hormigón: su relación con la estructura de poros y los mecanismos de transporte de fluidos”, en: Durabilidad del Hormigón EstructuralAsociación Argentina de Tecnología del Hormigón (AATH), Argentina, 2001. [23] Neville, A.M. “Propriedades do concreto”. Sao Paulo: Pini, 2a. Ed. 1997.
- 14 -