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Estudio de morteros de cemento portland con cenizas de rastrojo de maíz: posibilidades de uso en construcciones rurales
ESTUDIO DE MORTEROS DE CEMENTO PORTLAND CON CENIZA DE
RASTROJO DE MAÍZ: POSIBILIDADES DE USO EN CONSTRUCCIONES
RURALES
Línea Temática III: Investigación y Compromiso Social
Alejandro Escalera Cruz1, Jordi Payá Bernabeu 2, María Victoria Borrachero Rosado2, Lourdes
Soriano Martínez4 and José María Monzó Balbuena 5.
(1)
Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón. Universitat Politècnica de València (España).
Correo electrónico: [email protected]
(2)
Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón. Universitat Politècnica de València (España).
Correo electrónico: [email protected]
(3) Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón. Universitat Politècnica de València (España).
Correo electrónico: [email protected]
(4)
Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón. Universitat Politècnica de València (España).
Correo electrónico: [email protected]
(5)
Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón. Universitat Politècnica de València (España).
Correo electrónico: [email protected]
RESUMEN
En este trabajo se ha realizado la caracterización química y el estudio de la reactividad de la ceniza producida
mediante la combustión de la planta de maíz. Es sabido a través de distintas investigaciones que el contenido de sílice de
las cenizas procedentes de la combustión de residuos agrícolas pueden conferirle propiedades puzolánicas. Este estudio
preliminar abre las puertas al uso de la ceniza de rastrojo de maíz en ámbitos rurales para la elaboración de materiales
alternativos para la autoconstrucción de viviendas. El maíz es un producto que tiene fuertes arraigos culturales en muchos
países y constituye la base de la dieta alimenticia de millones de seres humanos, una buena parte de los cuales habitan en
países en vías de desarrollo. El rastrojo de maíz es el residuo generado luego de la recolección del cereal, el volumen
producido no es despreciable y sometido a la combustión genera una ceniza que podría reemplazar parcialmente al
cemento portland en morteros y hormigones resolviendo de esta manera la gestión del residuo y disminuyendo el consumo
de cemento portland, un material muy costoso en los países en vías de desarrollo, y cuya producción genera grandes
cantidades de gases de efecto invernadero. Los resultados experimentales del presente trabajo confirman el carácter
puzolánico de la ceniza de rastrojo de maíz, obteniéndose resistencias a compresión similares a las de los morteros
control.
Palabras clave: ceniza de maíz, puzolana, hormigón, caracterización química, residuo agrícola.
INTRODUCCIÓN
Es sabido y objeto de múltiples investigaciones que el contenido de sílice de las cenizas procedentes de la
combustión de residuos agrícolas, dependiendo del proceso de combustión, puede tener carácter puzolánico. Tal
es el caso de materiales como la ceniza de cascarilla de arroz, la ceniza de hojas de bambú y el bagazo de caña
de azúcar (Visvesvaraya, 1986). Diversos estudios han ampliado los conocimientos relacionados con la
obtención de SiO2 de desechos agroindustriales que se producen en altos volúmenes, principalmente la
cascarilla de arroz debido al gran contenido de sílice amorfa que su ceniza contiene (Ordóñez Belloc, 2007).
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Estudio de morteros de cemento portland con cenizas de rastrojo de maíz: posibilidades de uso en construcciones rurales
La obtención de este mineral desde una fuente que se considera desecho se hace con el fin de usarla como
sustituto parcial del cemento en la elaboración de hormigones y morteros más amigables medioambientalmente,
ya que al sustituir parte de este componente se reduce la huella de carbono que conlleva el proceso de
fabricación del mismo. La utilización de materiales que ayuden a mejorar las propiedades mecánicas y
contribuyan a preservar el medio ambiente hace más loable la búsqueda de alternativas para la producción de
hormigones.
Por otra parte el uso de biocombustibles extraídos a partir de granos como el maíz, está siendo
promocionado con mucha agresividad por gobiernos, empresas, organizaciones internacionales y hasta por
organizaciones no gubernamentales. América Latina es la región del mundo donde más se han expandido los
biocombustibles, un ejemplo claro es el de Brasil, que ha optado de manera masiva por el etanol como
combustible para sus vehículos y es el primer productor y consumidor de dicho producto a nivel mundial
(Bravo, 2007).
Más allá de las discusiones y debates que pueda generar el uso de estos biocombustibles, tanto por las
consecuencias ecológicas que acarrea el cultivo de las materias primas, como por la viabilidad en determinadas
industrias del uso de ellos o las técnicas implementadas para el mayor aprovechamiento de la producción (el
caso de los denominados transgénicos), hay una realidad latente que no es despreciable y ésta es que lo que
interesa de la planta cultivada son las semillas y el azúcar que de ellas se puede extraer, sin embargo, el resto de
la planta es desaprovechado, y en ocasiones como ocurre con el maíz transgénico, ni siquiera puede ser utilizada
como forraje del ganado ya que entraría en la cadena alimenticia del ser humano.
La mayoría de los países latinoamericanos tienen un arraigo tanto cultural como gastronómico muy
importante con respecto al maíz, se trata de un cereal básico en la dieta de su población. En el caso de México,
primer productor mundial de maíz para consumo humano y cuarto a nivel mundial en la producción del grano,
la FAO estima que en 2010 se produjeron alrededor de 23 millones de toneladas de grano en una superficie de
casi 8 millones de hectáreas calculándose que en ese mismo año en México se produjeron 12 millones de
toneladas de desechos agrícolas producto del cultivo de maíz (FAO, 2010).
El objetivo general del presente estudio es caracterizar y realizar estudios a escala micro de la ceniza
obtenida de la combustión de diferentes partes de las plantas de maíz, para estudiar el comportamiento
puzolánico de dicho material de origen agrícola, con la finalidad de implementarlo como material de
construcción complementario al uso del cemento portland, con el consecuente beneficio económico y
medioambiental.
1.- MATERIAL Y MÉTODOS
1.1.- Material
Para el estudio se trabajó con muestras de plantas de maíz (Zea Mais) cultivadas tanto en España como en
México. Se trata de una planta anual pertenece a la familia de las Poáceas (Gramíneas), de crecimiento rápido,
que rebasa los 2m de altura si no le falta agua, la morfología de la planta se entiende mejor gracias a la Figura 1.
El tallo es simple, rígido y sólido. Presenta hojas de aproximadamente 1 m de longitud y hasta 10 cm de
ancho ásperas al tacto. Flores masculinas y femeninas separada, las masculinas forman un racimo terminal de
espiguillas en la parte superior, las flores femeninas (mazorca) nacen en las axilas de las hojas inferiores. Las
flores se disponen sobre un eje grueso llamado en México “olote”, y de cada una de ellas surge un estilo muy
largo que asoma en racimo al exterior y recibe el polen. La mazorca está recubierta por hojas y los granos de
maíz se disponen sobre el olote en series longitudinales.
Del mercado Central de Valencia se han conseguido muestras de mazorca de maíz a las cuales de ahora en
adelante llamaremos ME (Maíz Español). Han sido cultivadas en tierras Asturianas ya que su cultivo en
Valencia no común, por lo que se desconocen los procesos de cultivo y abono.
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Figura 1.- Detalle esquemático de la morfología de Zea Mais (dibujo cedido por Josefa Roselló Caselles).
Un grupo de plantas de maíz fueron cultivadas a las afueras de Moncada, Valencia, con el fin de obtener
mayor cantidad de ceniza. La semilla utilizada en éstos cultivos fue tanto de origen español como Mexicano; a
estas muestras las llamaremos MCV (Maíz Cultivado en Valencia). El sitio de cultivo fueron antiguos campos
de naranjos donde se han plantado las semillas de maíz en surcos separados 50 cm entre sí y de una altura de 15
cm, se hundieron las semillas en tierra a una profundidad promedio de 5 cm. Con un riego a manta de 2 veces
por semana, a los 15 días aparecieron los primeros brotes de las plantas, por lo que se decidió abonar el terreno
con Nitrofoska Especial: Abono Complejo NPK (Mg-s) 12-12-17 (2-20) con micronutrientes. Se realizó una
sesión más de abono antes de los 3 meses.
Durante trabajos realizados en México (Figura 2), se recolectaron plantas de maíz ya desarrolladas y se
incineraron en tierras mexicanas con el fin de poder llevar a España la ceniza para su análisis. Las plantas fueron
cultivadas en campos agrícolas del término municipal de Pabellón de Arteaga, Aguascalientes y serán
identificadas con las letras MX (Muestra Mexicana). Se desconoce el proceso de cultivo y abonos pero se
entiende que son los habituales y propios de la obtención de este cereal.
Como menciona Francisco Jarabo en su trabajo sobre la energía de la biomasa, “Los materiales más
idóneos para su conversión termoquímica son los de bajo contenido en humedad y alto en lignocelulosa. El
porcentaje de exceso de aire requerido para la combustión de biomasa depende fuertemente del contenido de
humedad” (Jarabo, 1984), por lo tanto las plantas fueron separadas y secadas al sol durante 8 días de verano en
los cuales no se presentó lluvia y la humedad relativa en el ambiente fue muy baja ya que Aguascalientes es un
estado de la República Mexicana que goza de clima seco. Así se obtuvieron las muestras MX-4 y MX-5 (hoja y
tallo, respectivamente).
Por su parte las muestras MX-R1, MX-R2 y MX-R3 se obtuvieron de dos proveedores comerciales de
rastrojo, que es así como se le llama en México a la mezcla triturada de la planta seca.
En la preparación de morteros se utilizó agua suministrada por la red de agua potable de la Universitat
Politècnica de València, cemento gris de la marca Lafarge tipo CEM I 52.5-R, filler calizo tamizado en malla de
80 µm con un contenido máximo de CaCO3 del 87,8% y plastificante GLENIUM ACE 31 de la marca BASF.
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Figura 2.- Muestra de Rastrojo, de Hojas y de Tallos secos de la planta de maíz.
1.2.- Método para la obtención de la ceniza
Todas las muestras de ceniza fueron obtenidas por calcinación en auto-combustión llevándose un registro
de la temperatura alcanzada en el interior por medio de termopares y recogiendo la ceniza del fondo del horno.
Se utilizaron dos tamaños de horno siendo el Horno Mediano el utilizado en México y el Horno Grande el
usado para calcinar las muestras de maíz cultivado en Valencia (MCV).
33 cm
47 cm
8 cm
11 cm
5 cm
NIVEL DE LA
MUESTRA
TRONERA
27 cm
5 cm
15 cm
90 cm
10 cm
10 cm
45 cm
10 cm
TERMOPARES
20 cm
REJILLA DE
ENTRADA DE
AIRE
23 cm
5 cm
5 cm
ENTRADA
DE
AIRE
Figura 3.- Detalle esquemático de la morfología de los hornos mediano (izquierda) y grande (derecha).
El horno mediano se llenó de muestra triturada compactando dando forma a la tronera con la ayuda de un
tubo de PVC. Para encender la muestra, se utilizó una pequeña torunda con alcohol que una vez encendida se
depositó en el fondo de la tronera con lo que comenzó la combustión desde el interior hacia las paredes
exteriores. Se tapó el horno con papel de aluminio y se hizo la perforación para que saliera el humo.
Para el caso del horno grande se ha realizado la misma operación de compactación pero en este caso se han
colocado las muestras secas de plantas sin triturar debido a que las muestras MCV (Maíz Cultivado en Valencia)
eran más voluminosas y no se contaba equipo de triturado. Las piezas sin triturar son mucho más grandes y
crean huecos de mayor tamaño entre ellas, por lo que era imprescindible una buena compactación.
1.2.1.- Molienda de las cenizas obtenidas
Obtenidas las cenizas, deben ser sometidas a un proceso de molienda pues las partículas resultantes de la
quema son demasiado grandes para mezclarlas directamente con el cemento portland. Se utilizó un molino de
bolas de la marca Nannetti dotado de temporizador colocando 150gr. de muestra en el interior del recipiente
cerámico junto con 90 bolas de alúmina de 2cm de diámetro moliendo durante 5min, se abre el recipiente y se
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colocan 75gr. más de muestra y se repite la molienda 15min. Para verificar la eficacia del proceso de molienda
se determina la distribución de tamaño de partícula con granulómetro. El diámetro medio obtenido fue de 17µm.
1.3.- Equipos
Para determinar la pérdida al fuego las muestras se colocaron en el interior de una mufla automática
programable durante 1h. a 400ºC, 500ºC, 600ºC, 700ºC, 800ºC y 1000ºC pesándolas antes y después de
introducirlas en el horno.
Las muestras se observaron por microscopía de barrido de electrones (SEM) para obtener imágenes a
diferentes escalas y así poder observar la microestructura de las cenizas analizadas. Se aplicó un voltaje de
20KV a una distancia de trabajo de 15mm. Se recubrieron en carbono para facilitar la conductividad eléctrica.
Para determinar la estructura cristalina de la muestra de ceniza se utilizó la técnica de espectroscopía de
difracción de Rayos X logrando con ello la identificación cualitativa de los compuestos cristalinos.
1.4.- Amasada de morteros y caracterización mecánica
Todos los métodos de ensayo, procedimientos de amasado, dosificaciones y equipos utilizados en éste
apartado, cumplen con lo dispuesto por la norma UNE-EN 196-1:2005 (AENOR, 2005) sobre los métodos de
ensayo de cementos, determinación de resistencias mecánicas.
Las relaciones de dosificación fijadas para los morteros objeto de este estudio son: Relación agua/material
cementante 0.5. Relación árido/material cementante 3. Sustitución del 25% de cemento por filler calizo o del
10% por ceniza Ceniza de Maíz. Adición de 1% del peso del material cementante por plastificante. Se midió la
trabajabilidad del mortero fresco aplicándose el método de ensayo para mesa de sacudidas propuesto por la
norma UNE-EN 83-811-92 (AENOR, 1999).
Se fabricaron probetas prismáticas de 40 x 40 x 160mm. El curado se hizo en cámara húmeda a una temperatura de 20ºC al 95% de humedad relativa durante 24 horas, transcurridas las cuales se desmoldan las probetas
y se sumergen en agua conservándolas en la misma cámara hasta las edades de 28, 56 y 90 días, determinando la
resistencias a compresión de la mismas tras 1 hora de secado a temperatura ambiente sobre papel absorbente.
1.5.- Nomenclatura de las muestras de ceniza analizadas
Para una mejor comprensión del origen de la muestra de ceniza, del método de calcinación y de la parte de
la planta que representa se presenta la nomenclatura para las claves de identificación de las muestras en base al
siguiente orden:
ORIGEN – PARTE DE LA PLANTA – TIPO DE HORNO – NÚMERO/TEMPERATURA
Origen de la materia prima: Maíz Español (ME), Maíz cultivado en Valencia (MCV), Muestra de maíz recolectado en México (MX).
Parte de la planta: Toda la planta sin triturar (TP), Hoja de la planta (H), Hoja de la mazorca de maíz
(HM), Tallo de la Planta (T), Vaina de mazorca de maíz (V), Estilos de la mazorca (E), Corazón de la mazorca
(C), Rastrojo de maíz de productor 1 (R1), Rastrojo de maíz de productor 2 (R2).
Horno utilizado para su obtención: Horno mediano (HM), Horno grande (HG), Mufla (M).
Número de muestra o temperatura: Orden cronológico en el que fue incinerada en el horno o temperatura a
la que fue realizado el estudio en la mufla.
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2.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
2.1.- Pérdidas de masa por humedad
Las pérdidas de masa por humedad que presentan por separado cada una de las partes de la planta, una vez
terminado el proceso de secado en estufa, son las reflejadas en la Tabla 1. El contenido de humedad en cada
planta es relativo a la edad de la misma según indica Ma. Dolores Curt: “La biomasa aérea de algunas especies
al final del invierno tiene un contenido de humedad del orden del 50-55%, mismo que desciende rápidamente
tras su cosecha” (Curt, 2009).
Tabla 1.- Porcentaje de pérdida de masa por humedad en distintas partes de la planta de maíz.
PÉRDIDA DE MASA EN MUESTRAS DE MAÍZ ESPAÑOL (ME)
56,33%
Hojas de la mazorca (ME-HM)
84,29%
Vaina (ME-V)
76,19%
Estilos (ME-E)
40,27%
Corazón (ME-C)
49,89%
Pérdida Global
2.2.- Pérdidas de masa en la combustión
2.2.1.- Pérdidas al fuego de muestras secas de Zea Mais con control de temperatura
El primer paso que se decidió dar en los trabajos para obtener ceniza de la planta de maíz fue el de hacer
quemas del material seco a una temperatura constante y tiempo determinados. El objetivo se logró gracias al uso
de la mufla introduciendo en ella las muestras colocadas en crisoles cerámicos previamente calcinados que se
introdujeron en desecador hasta alcanzar la temperatura ambiente y posteriormente fueron tarados.
Las muestras se quemaron a 6 temperaturas distintas (400ºC, 500ºC, 600ºC, 700ºC, 800ºC y 1000ºC)
durante 1 hora; fueron pesadas antes y después de calcinadas y una vez enfriadas a temperatura ambiente. Los
resultados obtenidos de cada parte de la planta son los mostrados en las Tabla 2.
La totalidad de las muestras sometidas a una temperatura de 1000ºC presentaron claros signos de haber
sinterizado, mientras que en las muestras sometidas a 800ºC se presentaron apenas los primeros síntomas de
dicho fenómeno; es decir, se formaron algunos gránulos de ceniza sinterizada, frágiles al manejo de las
muestras pero que eran indicios del inicio de la fusión entre las partículas.
En el extremo opuesto, las muestras a 400ºC dejaban manchas negras en el fondo y paredes del crisol, lo
que indicaba que los gases de combustión no eliminaron por completo el carbono de la muestra. Este mismo
hecho se confirma con el dato de que las muestras sometidas a dicha temperatura son las que menor pérdida
tuvieron durante su combustión y su color al final del proceso era más bien negro, mientras que el resto
evolucionaba hacia un tono gris claro.
Cualitativamente, las cenizas que presentan un aspecto más homogéneo son las calcinadas en rangos desde
los 500ºC hasta los 700ºC. En su apariencia visual predomina el blanco o gris claro, mantienen la geometría
original pero son muy frágiles al tacto y sensibles al vuelo con ligeras ráfagas de viento. En cambio, aquellas
cenizas que han sinterizado presentan un aspecto más sólido si bien se trata de estructuras porosas, pero capaces
de mantener la forma al ser manipuladas.
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Tabla 2.- Pérdidas al fuego de diferentes partes de la mazorca de maíz.
TEMPERATURA
% DE PÉRDIDA EN
ME-HM-M
% DE PÉRDIDA EN
ME-V-M
% DE PÉRDIDA EN
ME-C-M
400ºC
92,32
87,09
96,39
500ºC
97,80
95,12
99,28
600ºC
97,99
95,69
99,36
700ºC
98,03
95,61
99,22
800ºC
97,76
95,96
98,84
1000ºC
98,20
97,39
99,45
2.2.2.- Pérdidas de masa por autocombustión durante la quema de muestras en Horno Mediano
En las quemas de material que se hicieron con Horno Mediano (HM) en la ciudad de Pabellón de Arteaga,
Aguascalientes, México, se pesaron las muestras trituradas de distintas partes de la planta antes y después de la
combustión y se obtuvo la pérdida que presentaban, mismas que se expresan en la Tabla 3.
Tabla 3.- Pérdidas de masa en la quema de muestras MX de Zea Mais en Horno Mediano
PARTE DE LA
PLANTA
CLAVE DE
IDENTIFICACIÓN
% DE PÉRDIDA DE
MASA
Rastrojo 1
MX-R1-HM-1
89,90
Rastrojo 1
MX-R1-HM-2
85,15
Rastrojo 2
MX-R2-HM-3
87,98
Hojas
MX-H-HM-4
87,30
Tallos
MX-T-HM-5
90,85
Las muestras de rastrojo R1 y R2 pueden considerarse como las más representativas ya que se trata de un
material mixto (tallos, hojas y mazorcas) de toda la planta de maíz, triturado y completamente seco. Las
pérdidas en peso son importantes, del orden de 90%; es decir, se puede obtener alrededor de un 10% de ceniza
de las plantas de maíz.
Figura 4.- Muestras de Rastrojo, Tallos y Hojas (de izquierda a derecha), preparadas en el interior del
horno para la autocombustión.
El registro de la evolución de las temperaturas en cada una de las quemas se hizo a partir de los termopares
ubicados en el horno según la Figura 3. Exceptuando algunos picos de temperatura, las quemas no presentaron
temperaturas superiores a los 800ºC. También cabe mencionar que se mantuvieron rangos de temperatura entre
500ºC y 600ºC durante la mayor parte de la duración total de la combustión como se aprecia en la Figura 5.
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Una vez concluida la quema, el color gris claro de la ceniza nos indica que MX-R1-HM-1 y MX-R2-HM-3
(ambas muestras de rastrojo) presentan menor cantidad de inquemados mientras que las tres muestras restantes
comparten un tono más obscuro y por ende una mayor cantidad de inquemados. De estas muestras más obscuras
la muestra MX-R1-HM-2 fue una quema del material R1 residual (Rastrojo del proveedor 1) por lo que estaba
menos compactada y el nivel de llenado del horno fue mucho menor (tan solo de 10 cm mientras que el nivel
normal de llenado en una quema en el horno mediano es de 40 cm). Las muestras MX-H-HM-4 (hojas) y MXT-HM-5 (tallos) comparten la característica de que se trata de partículas de mucho mayor tamaño que las de
rastrojo pues no han sido trituradas mecánicamente sino manualmente y comparadas con el rastrojo molido que
es mucho más compacto, estas muestras forman muchos huecos al ser colocadas en el horno, mismos que no
pudieron ser bien compactados, por lo que el proceso de combustión fue menos uniforme y eficiente que en las
muestras de rastrojo.
MX-R2-HM-3
800
Temperatura en oC
700
600
500
400
Termopar 1
300
Termopar 2
200
100
0
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
Tiempo en Horas
Figura 5.- Evolución de la temperatura en quema de rastrojo de maíz (MX-R2-HM-3).
2.2.2.1- Pérdidas de masa a 800ºC de las cenizas obtenidas en Horno Mediano
Para evaluar la efectividad de las quemas MX en horno mediano, se ha realizado un análisis de la pérdida
al fuego a 800ºC que presentan las cenizas. Se observa una pérdida ponderada del 10,07% del peso, siendo las
muestras de hojas y restos de rastrojo las que mayor pérdida presentaron y por contra MX-R1-HM-1 y MX-R2HM-3, como lo anticipaba su color gris blanquecino, fueron las que menos pérdida tuvieron.
Todas las cenizas cuando se sometieron a calcinación a 800ºC presentaron mayor o menor grado de sinterización y cambio de color de la ceniza original hacia tonos más claros. Se detectó un tono rojizo en la ceniza
MX-R2-HM-3 posiblemente debido a la contaminación del rastrojo 2 con tierra con altos niveles de hierro.
2.2.3.- Quema de muestras en Horno Grande
El objetivo de la quema en horno grande fue el de obtener una mayor cantidad de ceniza que permitiera
contar con el material necesario para realizar las amasadas, por lo tanto no se estudió la pérdida de masa del
material al ser calcinado.
Se logró completar exitosamente una quema con el material cultivado para el presente estudio y se realizó
el registro de la evolución de las temperaturas durante la quema en Horno Grande mediante la colocación de 4
termopares (Figura 3). De esta quema se obtuvo la muestra de ceniza MCV-TP-HG-4 misma que mantuvo por
un periodo de 3.5 horas un rango de temperaturas oscilantes alrededor de los 600ºC; comportamiento similar al
presentado por las quemas de muestras MX de Rastrojo en horno mediano (MX-R1-HM-1 a 3).
Los resultados de las pérdidas a 800ºC en la muestra MCV-TP-HG-4 indican una pérdida del 13%, similar
al de las muestras de rastrojo mexicano (10,07%).Visualmente las cenizas presentan un aspecto similar a las de
MX-R2-HM-3.
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Estudio de morteros de cemento portland con cenizas de rastrojo de maíz: posibilidades de uso en construcciones rurales
2.3.- Análisis microscópico de las muestras de cenizas obtenidas
Como ya se ha mencionado, las muestras de ceniza se estudiaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) para obtener imágenes a escala microscópica de la morfología y tamaño de las partículas. El objetivo es tener una visión de la microestructura que conforma el material, buscar indicios de sinterización en las
muestras y tratar de identificar cualitativamente los elementos químicos que contienen.
Estudios realizados a otras cenizas de origen agrícola como el de la tesis doctoral de Luis Miguel Ordoñez
sobre la reutilización de la ceniza de cáscara de arroz como material de construcción, confirman que las cenizas
de origen agrícola como lo es la cáscara de arroz, serán uno de los más importantes subproductos utilizados en
ingeniería civil debido a sus altas prestaciones como material puzolánico (Ordóñez Belloc, 2007), pero anticipa
que las partículas de ceniza distan mucho de la forma esférica de las cenizas volantes de central térmica de
carbón. En el caso de las cenizas de residuos vegetales la forma de las distintas partes de la planta y el proceso
de calcinación condicionan la morfología y reactividad de la misma. El proceso de autocombustión genera cenizas que a nivel tanto microscópico como macroscópico mantienen la forma del material original (Figura 6).
Figura 6.- Micrografías de cenizas MX-R1-HM-2, MX-R2-HM-3 y MCV-TP-HG-4 (izquierda a derecha).
2.3.1.- Composición mineralógica por difracción de Rayos X de cenizas de Zea Mais
La lectura de los picos mostrados por la difracción de Rayos X en las muestras mexicanas, revela la presencia de los siguientes minerales (Tabla 4).
Tabla 4.- Componentes minerales mayoritarios (xxx), secundarios (xx) y minoritarios o posibles (x) en las
muestras de ceniza de maíz.
MINERAL
Calcita
Hidrógeno
Pirofosfático Potásico
Silvina
Cuarzo
Anortita
Sanidina
Albita
Cristobalita
Caolinita
Mica Moscovita
9
FÓRMULA
COMPONENTES MINERALES
CaCO3
MX-R1-HG-1
x
MX-R1-HG-2
xx
K3HP2O7
x
xx
KCl
SiO2
CaAl2Si2O8
(Na,K)AlSi3O8
NaAlSi3O8
SiO2
Al2Si2O5(OH)4
Na4Ca(SO4)3
KCa(PO3)3
x
xx
xx
xxx
xx
xxx
x
xx
xxx
x
xx
KMgAlSi4O10(OH)2
MX-R2-HG-3
MX-H-HG-4
MX-T-HG-5
xx
x
xxx
Muy amorfa,
imposible de
identificar.
xxx
xx
xx
xxx
xxx
x
x
x
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Según los datos de la difracción, la muestra MX-H-HG-4 es la más amorfa de todas, por tanto se presupone
como la más reactiva. Mientras que la muestra MX-R2-HG-3 es la más cristalina de todas, por lo tanto su
reactividad será menor. El resto de muestras se identifican como parcialmente amorfas.
2.4.- Resultados experimentales de las amasadas y de ensayos de las propiedades mecánicas en morteros
de cemento con adición de ceniza de maíz.
Para la elaboración de las probetas se utilizó una mezcla de las cenizas citadas en la Tabla 4 que representaron el 45.43% del peso total, mientras que el restante 54.57% se completó con las muestras MCV-TP-HG-4 y
MCV-TP-HG-5 obtenidas en horno grande.
Los estudios se realizaron con sustitución de 10% del total del cemento por cenizas de maíz de acuerdo con
las recomendaciones del estudio de Olafusi et al., quienes afirman que el aumento en la resistencia a compresión
es mayor conforme mayores son los tiempos de curado y menores los porcentajes de sustitución (Olafusi
Oladipupo, 2012).
Como puede observarse en la Tabla 5, se demuestra que la sustitución de una parte del cemento por ceniza
de maíz implica una mejora en la resistencia a compresión de la probeta con respecto a aquellas donde la sustitución se ha hecho con filler calizo inerte.
Tabla 5.- Resistencia media a compresión alcanzada en morteros.
RESISTENCIAS ALCANZADAS EN MORTEROS
CURADO
(días)
28 días
56 días
90 días
CONTROL
FILLER 25%
FILLER 10%(*)
MAIZ 10%
CONTROL
FILLER 25%
FILLER 10%(*)
MAIZ 10%
CONTROL
FILLER 25%
FILLER 10%(*)
MAIZ 10%
RES. MED. A
COMPRESIÓN
Rc (MPa)
56,47
39,86
49,83
52,06
61,35
43,82
54,34
56,40
59,16
44,02
53,10
57,78
DESVIACIÓN
ESTANDAR
1,59
2,40
1,63
1,65
2,41
1,93
2,06
1,39
2,87
(*) Obtenido por extrapolación a partir del dato del 25%
Se puede decir por tanto que las cenizas de maíz han tenido una cierta reactividad puzolánica que ha logrado aumentar la resistencia a compresión de las probetas hasta valores muy cercanos a los presentados por el
control. La adición de ceniza de maíz mejora la respuesta de las probetas respecto de la adición de filler calizo
inerte, lo que pone de manifiesto el carácter puzolánico de las cenizas.
Algunas normas sobre adiciones puzolánicas establecen el valor del índice de actividad resistente (IAP), de
una mezcla de cemento con adición puzolánica establecida, como el parámetro de referencia para evaluar la
actividad puzolánica. Éste índice se define a través de la ecuación:
Donde Rc es la resistencia a compresión del mortero control y Ri la resistencia del mortero que contiene
puzolana.
Se calcula que para las edades de 28 y 56 días el IAR de la adición de ceniza de maíz es de 92, mientras
que para 90 días es de 98, valores muy cercanos al 100 lo que nos coloca muy cerca de los valores del mortero
control.
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Estudio de morteros de cemento portland con cenizas de rastrojo de maíz: posibilidades de uso en construcciones rurales
3.- CONCLUSIONES
Las muestras que han sufrido un mejor proceso de calcinación han sido las tipo rastrojo, es decir, aquellas
con un tamaño de partícula más bien pequeño (de 0.5 a 3 cm), en forma de astilla y heterogéneo. Una compactación adecuada de las muestras que se van a calcinar es imprescindible para una buena combustión, sin llegar a
ser excesiva para permitir que el aire circule por toda la muestra. El uso de una tronera en forma de hueco favorece la combustión y evita prolongados periodos del tiempo de duración de la quema.
Los distintos hornos utilizados para la combustión del residuo agrícola no han sido capaces de controlar de
manera precisa la temperatura de combustión, sin embargo en el caso del horno mediano y grande se han logrado resultados aceptables. Es necesario pues desarrollar sistemas que eviten una disminución de la reactividad de
la ceniza, controlando tanto la temperatura como el tiempo de combustión.
El fenómeno de sinterización se ve favorecido a temperaturas superiores a 600ºC, por lo que podemos determinar ésta como la temperatura óptima de combustión.
Es necesario el proceso de molienda de la ceniza para su posterior adición a la masa cementante así como
el uso de plastificantes para lograr una trabajabilidad adecuada durante el amasado.
Con los resultados experimentales de las amasadas de morteros, se ha confirmado el carácter puzolánico de
las cenizas. Sin embargo, el presente es un estudio preliminar, que deberá ser ampliado con un mayor número de
experiencias para obtener datos concluyentes.
Este trabajo abre las puertas inicialmente al uso de estas cenizas en ámbitos rurales de países en vías de desarrollo en los que se cultive maíz. Una vez recolectado este los residuos obtenidos podrían ser utilizados como
combustible en hornillos y/o cocinas sencillas, utilizando la ceniza obtenida como cómo adición puzolánica en
la fabricación de bloques prefabricados para la autoconstrucción de viviendas.
AGRADECIMIENTOS
Al Centro de Cooperación al Desarrollo de la Universidad Politécnica de Valencia por la financiación del proyecto Adsideo-Cooperacion 2010, Diseño de sistemas de combustión a partir de residuos agrícolas para uso en
países en vías desarrollo, optimizando la producción energética y las propiedades puzolánicas de la ceniza
obtenida en la combustión para su uso en materiales de construcción no convencionales. Al Instituto de Ciencia
y Tecnología del Hormigón por el apoyo recibido durante la realización de los trabajos de investigación.
REFERENCIAS
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