Cenizas volantes de carbón y cenizas de hogar o escorias

Fabricación de cemento

La fabricación de cemento es uno de los campos más amplios para la utilización de cenizas volantes en España ya que produce un ahorro económico y energético considerable y, permite la obtención de cementos de aplicación específica en determinados ambientes y tipos de obras.

Según la RC-08⁽¹⁹⁾, se emplean cenizas volantes en mayor o menor proporción en los siguientes tipos de cementos, que figuran en el cuadro adjunto. Estos cementos permiten obtener hormigones y morteros de una impermeabilidad muy alta. Además, tienen bajo calor de hidratación y presentan buena resistencia a las aguas agresivas. Los cementos con cenizas volantes tienen un poder de retención de agua muy alto y comunican a los morteros y hormigones una gran plasticidad, que se opone a la segregación y, además, facilita su manejabilidad.

Por todo esto, se suelen emplear en suelos selenitosos, aguas sulfatadas, aguas de mar, cloradas, aguas residuales e industriales, etc.

La utilización de los cementos comunes que incorporan cenizas volantes en hormigón estructural se regula según la Instrucción EHE⁽¹⁶⁾, e incluye unas recomendaciones generales para su utilización. Esta Instrucción permite la utilización de cementos con cenizas únicamente del tipo CEM II/A-V y CEM II/A-M (V-P) para hormigón pretensazo. En la tabla 8 se indican los tipos de cementos que incorporan cenizas según la RC-08 y los rangos admitidos en los contenidos de ceniza.

^(*)Estos cementos no se recomiendan por la Instrucción EHE para su aplicación en hormigón estructural

Tabla 8 Tipos de cementos que incorporan cenizas según la RC-08

Un estudio español⁽²¹⁾ ha trabajado en el desarrollo de un cemento belítico de baja producción de CO₂ y bajo consumo energético, obtenido a partir de cenizas volantes de alto contenido en cal, clase C. El proceso de fabricación tiene lugar en dos etapas. En la primera, una mezcla de ceniza volante y CaO comercial, con una relación Ca/Si de 2, se trata hidrotermalmente con agua desmineralizada con una relación solución: sólido de 3:1; a una temperatura de 200 ºC y 1.24 MPa de presión durante 4 horas y agitación continua. En la segunda etapa, el sólido seco (obtenido previamente secado a 80 ºC durante una noche) se calienta a 600 ºC con una velocidad de 10 ºC/min, y después de 600 ºC a 800 ºC con una velocidad de 5 ºC/min.

Fabricación de hormigón^{(22 y 23)}

·         Elemento activo.

La adición de cenizas volantes permite una reducción de la cantidad de cemento en el hormigón,  disminuye la generación de calor dentro de la masa del hormigón, por lo que los gradientes de temperatura son más pequeños, y se reduce el peligro de fisuración superficial. Da lugar a una segregación de áridos menor, disminuye la exudación, es más resistente al ataque por sulfatos y al agua de mar, siendo además, mucho más trabajable.

La resistencia del hormigón con cenizas volantes es más baja que la del hormigón sin adición a edades tempranas, pero con el tiempo, las resistencias se van aproximando, llegando incluso a ser superior la resistencia a largo plazo del hormigón con cenizas volantes.

El empleo de este hormigón tiene amplias posibilidades en la construcción de presas, puertos, carreteras, etc.

Uno de los inconvenientes de este tipo de hormigón, es que el fraguado es más lento. Esto es un problema en los casos en que se requiera rapidez de endurecimiento.

Existen diferentes estudios sobre hormigones con alto contenido en cenizas volantes (entre un 40 % a un 80 % del peso total del material conglomerante, cemento más cenizas). Los usos de este material se han extendido en la actualidad a la construcción de bases y pavimentos de carreteras, presas y ciertas aplicaciones estructurales.

En estructuras de edificación, la cantidad máxima de cenizas volantes que permite la Instrucción de Hormigón Estructural (EHE) no debe exceder del 35 % del peso del cemento, debiéndose utilizar cemento tipo CEM I. Esta Instrucción permite la adición simultánea de cenizas volantes y humo de sílice, siempre que el porcentaje de humo de sílice no sea superior al 10 % y que el porcentaje total de adiciones (cenizas volantes y humo de sílice) no sea superior al 20 %, en ambos casos respecto al peso del cemento. En este caso la ceniza volante sólo se contempla a efecto de mejorar la compacidad y reología del hormigón, sin que se contabilice como parte del conglomerante mediante su coeficiente de eficacia K. Se tomará el valor de K no superior a 20 si se emplea un CEM I 32,5 ni superior a 0,40 en el caso de cementos CEM I con otras categorías resistentes superiores. La Dirección Facultativa podrá admitir, bajo su responsabilidad, valores superiores del coeficiente de eficacia K pero no mayores de 0,65, siempre que ello se deduzca como una estimación centrada en la mediana del valor característico real, definido como el cuantil del 5 % de la distribución de valores de K.

En hormigón pretensado podrá emplearse adición de cenizas volantes cuya cantidad no podrá exceder del 20 % del peso del cemento.

Elemento inerte.

En este caso las cenizas volantes se utilizan en estado bruto, secas o húmedas, para sustituir parte de los áridos del hormigón.

En este tipo de utilización, la composición de la ceniza volante no tiene una importancia decisiva, pues lo que verdaderamente importa es su finura, ya que dicha propiedad aumenta la plasticidad de los hormigones y las resistencias mecánicas en las mezclas pobres de cemento portland, al mismo tiempo que disminuye  la porosidad de los hormigones, evitando también la segregación.

En general se puede decir que, dado el fino tamaño de grano de los áridos de las cenizas volantes, pueden usarse como árido, para complementar la granulometría del hormigón, y hacerla así más continua, teniendo también la ventaja de disminuir considerablemente la permeabilidad del hormigón, sobre todo en estado plástico.

La Universidad de Zaragoza ha llevado a cabo un estudio⁽¹⁰⁾ sobre la aplicación de las escorias de la central térmica convencional de Andorra (Teruel) como sustitutivo del árido fino (escorias de la fracción granulométrica 0-4 mm) y del árido grueso (fracción granulométrica 4-10 mm) en la fabricación de hormigones para prefabricación. Se ha determinado la resistencia de hormigones fabricados con diferentes rangos de sustitución del árido fino así como del grueso. El requisito marcado era la resistencia a 24 h debido al proceso de desmoldeo que llevan las piezas prefabricadas. En la Tabla 9 se recogen las bajadas de resistencias observadas en los hormigones para cada porcentaje de sustitución:

Tabla 9: Caída de resistencia para cada porcentaje de sustitución

Se observa que cuanto mayor es la sustitución de árido por escorias más bajan las resistencias del hormigón. Se decide desechar el empleo de las escorias finas por no interesar su rentabilidad económica en las cantidades a utilizar, llegando a la conclusión de que la dosificación idónea es la sustitución del árido grueso por un 30% de escorias de la fracción 4-10 mm, asumiendo la bajada de resistencia que ocasionan.

Efectos de las cenizas volantes en el hormigón^.

• Fraguado: la incorporación de cenizas volantes al hormigón, en general, aumenta los tiempos iniciales y finales de fraguado.

• Trabajabilidad: reduce la cantidad de agua necesaria para obtener una docilidad equivalente a la de un hormigón sin cenizas, produce un aumento de plasticidad y una mayor cohesión.

• Exudación: generalmente se reduce la exudación, debido al aumento de finos y al menor contenido de agua.

• Aptitud para el bombeo: se consigue un aumento en la aptitud para el bombeo; el uso de cenizas como árido suplementario hace al hormigón más cohesivo y con menos tendencia a la segregación y exudación.

• Calor de hidratación: la sustitución parcial de cemento por cenizas reduce el calor generado durante el proceso de hidratación del cemento.

• Resistencias mecánicas: su uso produce un retardo en las resistencias iniciales pero iguala o aumenta las resistencias a edades posteriores.

• Protección de las armaduras: siempre que se tomen las medidas adecuadas, el hormigón no planteará problemas respecto a la corrosión de las armaduras.

• Resistencia a los sulfatos: el uso de cenizas volantes en el hormigón aumenta su resistencia al ataque de los sulfatos, aunque en las condiciones más severas de exposición, se requerirá el uso de cemento portland resistente a los sulfatos.

• Reacción álcali-sílice: el uso de adecuadas cantidades de cenizas volantes puede reducir la reacción con los áridos y disminuir o eliminar la expansión nociva del hormigón.

Fabricación de áridos ligeros^{(11, 24 y 25)}

Otra vía de aplicación de las cenizas volantes es la fabricación de áridos ligeros, cuya fabricación y utilización está extendida en numerosos países como Estados Unidos, Canadá, Inglaterra o Japón. En España ha entrado recientemente en funcionamiento una planta en Andorra (Teruel).

Las características del árido dependen del proceso de fabricación y de la temperatura a la que se realice el endurecimiento. Las cenizas más adecuadas para el proceso de sinterización son las que tienen un alto contenido en carbón.

Los áridos ligeros así obtenidos son muy interesantes a pesar de su forma redondeada, pues gracias a su superficie rugosa y porosidad, se adhieren bien al mortero con cemento. Se ha comprobado también que poseen propiedades puzolánicas superiores a las de las cenizas volantes sin sinterizar, por lo que la actividad del producto manufacturado es superior a la del bruto.

Los áridos ligeros fabricados a partir de cenizas volantes sinterizadas son susceptibles de emplearse en hormigón en las siguientes aplicaciones: fabricación de hormigón aislante bajo cubiertas, rellenos, confección de elementos prefabricados de módulos diversos, hormigón estructural, etc.

Los áridos sinterizados permiten fabricar hormigones densos o sin finos con dosificaciones que varían de 125 a 210 kg. de cemento por metro cúbico, con una densidad comprendida entre 1 y 1,7 T/m³ y la resistencia a compresión entre 45 y 350 kp/cm².

Los hormigones con áridos obtenidos en procesos en frío pueden presentar elevadas resistencias (hasta 410 kp/cm² a los 7 días) aunque con un mayor contenido de cemento (400 kp/m³).

La utilización del árido ligero en el hormigón estructural y en bloques prefabricados disminuye el peso propio de los edificios, aunque disminuye la resistencia del hormigón y su durabilidad a igual dosificación en cemento.

Fabricación de productos cerámicos

Los ladrillos cara vista, que usualmente se fabrican a partir de una mezcla de arcillas plásticas y arena, que actúa como desgrasante, pueden ser fabricados usando cenizas volantes. Generalmente se sustituye parte de la arcilla plástica por las cenizas, aunque también existen estudios sobre la utilización de cenizas volantes como materia prima única en la elaboración de ladrillos, llegando a proporciones de cenizas volantes del 90%.

Las principales ventajas que ofrece el uso de cenizas volantes en la fabricación de ladrillos son las siguientes:

·         Requieren menos cantidad de agua de amasado,

·         La velocidad de secado es mayor,

·         La cocción es más rápida,

·         La porosidad es menor

·         Se produce un ahorro energético y de materias primas

Sin embargo hay que tener en cuenta que los ladrillos así obtenidos presentan menor resistencia (pudiéndose alcanzar resistencias a compresión de hasta 20 N/mm² cuando se reemplaza el 50 % de la arcilla), mayor absorción, menor resistencia a las heladas y pueden dar origen a problemas de eflorescencias. La calidad de los ladrillos con cenizas volantes decae rápidamente al descender la temperatura de cocción, por lo que deberá ser controlada muy estrictamente para garantizar la calidad del producto.

En la actualidad existen fábricas en diversos países que producen ladrillos con cenizas volantes a escala industrial, especialmente en Gran Bretaña, Canadá e Italia.

Aunque en nuestro país no se fabrican este tipo de ladrillos, se ha realizado un estudio sobre la viabilidad de la obtención de ladrillos a partir de cenizas volantes procedentes de una de las centrales térmicas españolas. Según este estudio⁽²⁵⁾ se podrían utilizar las cenizas como materia prima única en los ladrillos (con adición de un ligante y lubricante, que podrían ser dextrina blanca y polvos de talco respectivamente). Con temperaturas de cocción superiores a 1.000 ºC se obtienen piezas que cumplen las especificaciones requeridas por la Norma Básica de Edificación en cuanto a: resistencia a compresión, absorción de agua, succión, contracción, heladicidad y eflorescencia, pudiendo alcanzar los valores que aparecen en la siguiente tabla 10:

Tabla 10: Propiedades de los ladrillos según Norma Básica de Edificación