Cenizas volantes de carbón y cenizas de hogar o escorias

Propiedades físicas

Las cenizas volantes secas suelen presentarse como una arena o polvo muy fino, suave al tacto y de un color gris más o menos claro, según la proporción de hierro y carbón sin quemar. Sus características físicas y propiedades dependen de múltiples factores entre los que cabe resaltar: 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 sistema por el cual las cenizas son retiradas de la central térmica. Así, se pueden distinguir básicamente tres grupos: las cenizas convencionales procedentes de central térmica, las obtenidas en centrales de lecho fluido y las procedentes de centrales con planta de desulfuración.

La finura media de las cenizas volantes brutas, es decir, sin moler, es comparable a la del cemento portland ordinario y su tamaño de grano oscila entre 0,2 y 200 micras de diámetro, llegando en casos excepcionales a valores de hasta 500 micras. La densidad de conjunto es aproximadamente de 0,89 g/cm³ y el peso específico de las partículas oscila entre 2,0 y 2,9 g/cm³.

El contenido de humedad depende de la forma en que éstas se depositen después de abandonar los filtros y precipitadores. Cuando se quieren aprovechar estas cenizas deben recogerse a la salida de los filtros, a fin de que su contenido de agua sea mínimo.

En cuanto a las cenizas procedentes de centrales de lecho fluido, también tienen forma pulverulenta, con partículas de tipo plano más bien lajosas, con una granulometría comprendida entre 0,5 y 315 micras. La superficie específica es alta, 200 m²/Kg, similar a la de los cementos.

La coloración generalmente es grisácea, presentando también tonalidades marrones, debido a los óxidos de hierro, o negras. La presencia de carbón sin quemar da colores oscuros.

En cuanto a algunas de las propiedades geotécnicas de las cenizas volantes, obtenidas a partir de resultados de laboratorio, serían^{(5, 6)}:

·       Su granulometría es semejante a la de un suelo limoso, entre un 80 y un 95 % de las partículas tienen tamaño limo. El porcentaje de partículas tamaño arcilla es muy pequeño o inexistente.

·       Carecen de plasticidad dada la ausencia de minerales arcillosos en su composición, lo que les confiere asimismo una sensibilidad al agua muy débil, más cercana a la de los suelos granulares que a los de grano fino.

·       Con respecto a la compactación, en general, se observa que el abanico de valores de densidad y humedad óptima Proctor Normal (PN en distintas cenizas es muy amplia, debido a la serie de factores que afectan a su granulometría y por tanto a los parámetros de compactación. Asimismo, no hay una relación clara entre la  máxima densidad seca y el peso específico de las partículas.

·       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

·       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/m^3.

·       Una vez compactadas, una característica geotécnica ventajosa de las cenizas volantes es su menor compresibilidad en relación a otros suelos, lo cual es importante para reducir los asientos diferenciales.

Propiedades químicas

La composición química de las cenizas volantes es muy variable dependiendo de la composición química de los componentes del carbón. Los porcentajes en los que se presentan los distintos componentes de las ceniza varían sustancialmente de unas a otras. En general poseen los siguientes componentes, en mayor proporción: sílice (SiO₂), alúmina (Al₂O₃), óxidos de hierro (Fe₂O₃), cal (CaO) y carbón sin quemar; en menor proporción, generalmente menor del 5% en peso: magnesia (MgO), óxido de azufre (SO₃), alcalinos (Na₂O y K₂O), y, otros constituyentes en cantidades aún más reducidas, como compuestos de titanio, vanadio, manganeso, fósforo, germanio, galio, etc.

Las cenizas volantes se clasifican en diferentes tipos, atendiendo principalmente a su contenido en cal, y según la norma ASTM C 618-08a, se definen:

-       Clase F: producidas por la calcinación de carbón antracítico o bituminoso,  contienen pequeñas cantidades de cal, generalmente inferiores al 15%, y mayor combinación de sílice, alumino y hierro. Estas cenizas presentan propiedades puzolánicas.

-       Clase C: producidas por la calcinación de carbón sub-bituminoso o lignito, contienen una mayor cantidad de cal, generalmente entre 15% y 30%. Estas cenizas presentan propiedades puzolánicas y cementicias.

Según su composición química, y atendiendo a la procedencia del carbón de origen, las cenizas volantes pueden clasificarse en:

-       Cenizas Silicoaluminosas, denominadas también puzolánicas o no activas con contenidos en CaO inferiores al 10%, clase F según norma ASTM C618-08a).  Son las más importantes en cuanto a cantidades producidas y aprovechamiento. Tienen propiedades ligantes en presencia de activadores de su puzolanicidad (se utiliza cal o cemento); son también hidrofílicas y tienen propiedades puzolánicas. Los óxidos más importantes son la sílice (SiO₂), la alúmina, (Al₂O₃) y óxidos de hierro (Fe₂O₃ y Fe₃O₄). El pH es netamente básico y puede ser superior a 10. El contenido en cal libre es importante para saber si una vez compactadas, sin aditivos, experimentan endurecimiento o no con el tiempo⁽⁶⁾.

-       Cenizas Sulfocálcicas:con altos contenidos de CaO, por encima del 10%; clase C según norma ASTM C618-08a. Se llaman también hidráulicas o activas, y suelen presentar un comportamiento diferente al de las silicoaluminosas, comportándose como aglomerantes hidráulicos; es decir cuando son amasadas con agua sufren reacciones de hidratación, fraguado y endurecimiento semejantes a los que tiene lugar en los cementos

-       Cenizas Silicocalcáreas.

Otra clasificación sería la basada en la concentración de los elementos, habitualmente utilizada según sus aplicaciones⁽⁷⁾. Las cenizas se clasificarían como siálicas, ferrosiálicas, sulfocálcicas, calciosiálicas o ricas en fases de aluminosilicatos. Simplificándose esta clasificación en siliceas y calcáreas:

-       Las cenizas volantes silíceas ó V, según la instrucción para la recepción de los cementos (RC-08), son un polvo fino de partículas esféricas que tienen propiedades puzolánicas y que consta principalmente de dióxido de silicio reactivo (SiO₂) y óxido de aluminio (Al₂O₃). El resto contiene óxido de hierro (Fe₂O₃) y otros compuestos.

-       Las cenizas volantes calcáreas ó W, según la RC-08, son un polvo fino que tiene propiedades hidráulicas o puzolánicas, que consta esencialmente de óxido de calcio reactivo (CaO), dióxido de silicio reactivo (SiO₂) y óxido de aluminio (Al₂O₃). El resto contiene óxido de hierro (Fe₂O₃) y otros compuestos.

Las cenizas resultantes de la combustión en lecho fluido suelen ser más finas que las cenizas de central térmica, lo que, unido a su porcentaje de cal, superior al de las silicoaluminosas convencionales, hace que puedan tener propiedades conglomerantes (actividad hidráulica).

En cuanto a la solubilidad, el porcentaje de materia soluble es pequeño, de un 2 a un 4% como máximo, dependiendo de la composición química, principalmente del contenido de CaO libre y de sulfatos⁽⁵⁾.

En la tabla 3 se recogen los porcentajes medios de los compuesto que aparecen en las cenizas con alto contenido de calcio y en las cenizas con un bajo contenido de calcio.

Tabla 3: Porcentajes medio de los compuestos en cenizas con alto y bajo contenido de cal.

De las veintidós centrales termoeléctricas españolas que utilizan carbón como combustible, sólo dos  producen cenizas con alto contenido en cal. Los minerales más importantes que se suelen encontrar en las cenizas volantes son: mullita (3Al₂O₃.2SiO₂), cuarzo (SiO₂), magnetita (Fe₃O₄), hematites (Fe₂O₃), wustita (FeO), goehita (FeO-OH), pirita (S₂Fe), calcita (CO₃Ca), anhidrita (SO₄Ca), periclasa (MgO) y óxido de calcio libre (CaO).

Actividad hidráulica

Para que una ceniza posea una capacidad hidráulica suficientemente buena (aptitud para endurecerse en presencia de agua o humedad), ha de poseer un índice de hidraulicidad comprendido entre 0,15 y 0,40. Este índice se define como la relación existente entre la sílice más la alúmina y óxidos de hierro, y la cantidad de cal más magnesia.

Esta propiedad la presentan las cenizas volantes de alto contenido en cal que proceden generalmente de las centrales térmicas que queman lignitos.

Actividad puzolánica

Se define la actividad puzolánica de un material como la capacidad de fijar hidróxido cálcico, a la temperatura ordinaria, en presencia de agua, originando productos sólidos, insolubles y dotados de resistencia mecánica.

Esta actividad puzolánica es la propiedad más importante de las cenizas silicoaluminosas, que es mayor que en muchas puzolanas naturales y artificiales y depende del contenido en material silico-aluminoso soluble. Esta es una de las principales razones para su empleo en hormigón, pues las cenizas son capaces de reaccionar con el hidróxido cálcico (Ca(OH)₂) liberado en la reacción de hidratación del cemento portland.

La elevada superficie específica ejerce una acción favorable. Por otro lado, el contenido de carbón sin quemar, si supera el 10 %, resulta perjudicial para la actividad puzolánica, y para la consiguiente resistencia adquirida. Debido a que el carbón tiende a adherirse a las partículas, cubriendo su superficie y reduciendo así la superficie específica