Puzolanas

Generalidades

Las puzolanas son materiales naturales o artificiales que contienen sílice y/o alúmina. No son cementosas en si, pero cuando son molidos finamente y mezcladas con cal, la mezcla fraguará y endurecerá a temperaturas normales en presencia de apara, como el cemento.

Las puzolanas pueden reemplazar de 15 a 40% del cemento portland sin reducir significativamente la resistencia del concreto.

La mayoría de materiales puzolanicos descritos aquí son subproductos de procesos industriales o agrícolas, que son producidos en grandes cantidades, constituyendo un problema de desperdicio, si permanecen sin utilizar. Incluso si no hubiera otros beneficios, sólo este aspecto justificaría un incremento del empleo de estos materiales. Comparado con la producción y empleo del cemento portland, estos materiales contribuyen a ahorrar costos y energías, ayudan a reducir la contaminación ambiental y, en la mayoría de los casos, mejoran la calidad del producto final.

Tipos de Puzolanas

• Básicamente hay dos tipos de puzolana, llamadas puzolanas naturales y artificiales.

• Las puzolanas naturales esencialmente son cenizas volcánicas de actividades volcánicas geológicamente recientes.

• Las puzolanas artificiales son el resultado de diversos procesos industriales y agrícolas, generalmente como subproductos. Las puzolanas artificiales más importantes son arcilla cocida, cenizas de combustible pulverizado (pfa), escoria de altos hornos granulada y molida (ggbfs) y ceniza de cáscara de arroz (RHA).

Cenizas Volcánicas

• La primera puzolana natural empleada en construcciones fue la ceniza volcánica del Monte Vesubio (Italia), encontrada cerca de la ciudad Pozzuoli, que le dio el nombre.

• Aunque los compuestos químicos son similares, el material vidrioso formado por el lanzamiento violento de la magna fundida en la atmósfera es más reactiva con la cal, que la ceniza volcánica formada por erupciones menos violentas.

• La generación de puzolanas naturales adecuadas está, por lo tanto, limitada a solo a algunas regiones del mundo.

• Las buenas puzolanas a menudo se encuentran como cenizas finas, pero también en forma de grandes partículas o tufos (ceniza volcánica solidificada), que deben ser triturados para emplearse como puzolana. Sin embargo, la calidad de dichas puzolanas puede variar grandemente, incluso dentro de un mismo depósito.

• Las puzolanas naturales son empleadas igual que las puzolanas artificiales

Arcilla Cocida

• Cuando los suelos arcillosos son horneados, las moléculas de agua se liberan, formando un material casi-amorfo reactivo con la cal. Esto también es cierto para los esquistos y suelos lateríticos y bauxíticos. Tal hecho fue descubierto en la antigüedad y las primeras puzolanas artificiales fueron hechas de piezas de alfarería molidas, una tecnología tradicional que aún es ampliamente practicada en el subcontinente de la India, Indonesia y Egipto, empleando ladrillos poco cocidos o defectuoso. (En India se le llama «surkhi», en Indonesia «semen merah» y en Egipto «homra»).

• Alternativamente, tal como se informó en un proyecto de la India, los suelos que contienen muy poca arcilla y demasiada arena para fabricar ladrillos, se cortan y se extraen en bloques formando pozos circulares. Luego los bloques son regresados a los pozos, junto con capas alternas de leña. El residuo obtenido al quemarlo es muy desmenuzable y no necesita pulverización. Este se empleo como mortero para mampostería sólo añadiéndolo en la pasta de cal y mezclándolo, sin arena ni cemento (Bibl. 05.10).

• Una técnica similar procede de Java, Indonesia, en donde los bloques de arcilla son quemados en un horno tradicional, desintegrados, cribados y empleados con cal y arena y a veces también con cemento (Bibl. 05.11).

• La calidad de estos métodos tradicionales son muy variables, pero se han desarrollado mejores métodos de calcinación para producir puzolanas de mayor calidad y uniformidad.

• La ilustración muestra un horno de eje vertical (después de Thatte y Patel) desarrollado en la India. La alimentación consta de una mezcla de terrones de arcilla de 50 a 100 mm. de tamaño y residuos de carbón de piedra (48% de ceniza, 31% de carbón estable, y 20% de volátiles). La calcinación se realiza ha 700°C durante tres horas, siendo la temperatura regulada por termopares y controlada por un ventilador de aire y el ingreso de la alimentación. La capacidad es de 10 toneladas por día. La National Buildings Organization, Nueva Delhi, desarrollo el proceso de lecho licuado, por la arcilla alimentada es calcinada en pocos minutos, obteniendo así grandes rendimientos en un proceso continuo (Bibl. 08.07).

Ilustración

Ceniza de Combustible Pulverizado (Ceniza Volante)

• Comparando los procesos de producción de ceniza de combustible pulverizado (pfa), más conocida como ceniza volante, y de cemento portland, ordinario (OPC), queda claro por que razón la pfa puede emplearse como sustituto parcial de éste último.

• El carbón de piedra finamente molido es inyectado a gran velocidad con un chorro de aire caliente (aproximadamente. 1500°C) en un horno en las estaciones de generación de electricidad. El contenido carbónico se quema instantáneamente, y la materia restante (que comprende sílice, alúmina y oxido de hierro) se funde en suspensión, formando finas partículas esféricas por el rápido enfriamiento mientras son llevados por los gases de combustión.

• En la producción de OPC, la piedra caliza y la arcilla, finamente molidas y mezcladas, son alimentadas en un horno giratorio inclinado, en el cual se forma clinker a 1400°C. El clinker enfriado se muele finamente y se mezcla con yeso para producir OPC.

• Dependiendo del tipo de carbón de piedra, la pfa contiene diversas proporciones de cal, la pfa de poca cal es puzolánica y la pfa con mucha cal tiene propiedades cementosas en si misma Igual que en otras puzolanas, la cal liberada por la hidratación del OPC se combina con la pfa para actuar como un material cementoso.

• Las partículas esféricas, huecas, vidriosas de pfa tienen la misma finura que el OPC, por lo que no es necesaria una mayor molida. La adición de pfa genera un concreto fresco más trabajable (probablemente debido al efecto de cojinete de bolas de las partículas esféricas) y homogéneo (dispersando el cemento y distribuyendo uniformemente el agua).

Otras ventajas de emplear la pfa son:

• Con el incremento del tiempo, se desarrollan mayores resistencias que el concreto sin pfa.

• La pfa no influye negativamente el comportamiento estructural de las piezas de concreto.

• Comparada con el concreto de OPC, el concreto de pfa es más liviano, menos permeable (debido a su compactación más densa) y con un mejor acabado

• El concreto de pfa es además más resistente al ataque del sulfato y a la reacción silice-álcali.

• Los concretos en los cuales se reemplaza entre 35 a 50% del paso de OPC por pfa han mostrado comportamientos satisfactorios.

• Los áridos derivados de la ceniza volátil muestran una excelente adhesión en concretos de pfa, contribuyendo favorablemente a su comportamiento y durabilidad.

Concreto de Cemento Portland Ordinario Fresco

Dispersión de los Granos de Cemento Añadiendo pfa

Escoria de Alto Horno Granulada Molida

• La escoria de alto horno es un material fundido que se asienta sobre el lingote de arrabio en la parte inferior del horno. Esta es producida por los diversos componentes en el horno cuando se llega a los 1400° a 1600°C.

• Un enfriamiento lento de la escoria genera un material cristalino, empleado con árido Un rápido enfriamiento con aire o agua bajo presión forma pelotillas vidriosas (escoria expendida > 4 mm., adecuado con árido ligero) y gránulos menores de 4 mm., que poseen propiedades hidráulicas cuando se muelen finamente.

• La escoria triturada se mezcla con OPC para producir cemento portland, de alto horno (PBFC), en el que el contenido de escoria puede llegar al 80%. Sin embargo, ya que el PBFC es más lento para reaccionar que el OPC, la reactividad se reduce a mayor porcentaje de escoria.

• Aunque la resistencia temprana de los concretos de PBFC generalmente es menor que de los concretos de OPC, es probable que la resistencia final sea mayor. La más lenta reactividad del PBFC genera menos calor y puede ser ventajoso en donde el agrietamiento térmico es un problema.

• Además de hacer más trabajable el concreto fresco, el PBFC tiene gran resistencia al ataque químico y su capacidad de proteger el refuerzo de acero la hace adecuada para emplear en concretos reforzados y pretensado.

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Ceniza de Cáscara de Arroz

• La combustión de los residuos agrícolas elimina la materia orgánica y, en la mayoría de los casos, produce una ceniza rica en sílice. De los residuos agrícolas comunes, las cáscaras de arroz producen la ceniza de mayor cantidad (también llamado horno Paddy) - alrededor del 20% del peso - que también tiene el mayor contenido de sílice - alrededor del 93% del peso. Es su gran contenido de sílice lo que le da a la ceniza sus propiedades puzolánicas.

• Sin embargo, sólo la sílice amorfa (no cristalino) posee estas propiedades, es por esta razón que la temperatura y duración de la combustión son importantes en la producción de la ceniza de cáscara de arroz (RHA). La sílice amorfa se obtiene quemando la ceniza a una temperatura menor de 700°C. Una combustión sin control de las cáscaras de arroz, por ejemplo cuando son usadas como combustible o quemada en un montón, generalmente a temperaturas mayores de 800°C, genera la cristalización de la sílice, que es menos reactiva.

• El incinerador que se ilustra, desarrollado primero por el Pakistan Council of Scientific and Industrial Research (PCSIR) y mejorado por el Cement Research Institute de la India (CRI), es fabricado con ladrillos con muchas aberturas para permitir un buen flujo de aire a la masa de cáscara de arroz. La superficie interior es cubierta con una malla de alambre fino calibre 16. Las cáscaras son introducidas por la parte superior y la ceniza se retira por la puerta de descarga inferior. Un pirómetro regula la temperatura, que puede ser controlada tapando o abriendo los orificios, manteniendo una temperatura de aproximadamente. 650°C por 2-3 horas.

• La ceniza reactiva es de gris ocurra a blanca, dependiendo del carbón residual en ella, que no tiene efecto negativo si es menor de 10%. Para mejorar su reactividad, la ceniza es pulverizada en un molino de bolas por aproximadamente una hora, o más si contiene sílice cristalina. La ceniza puede reemplazar hasta 30% del cemento de un mortero o concreto. Alternativamente, puede ser mezclada con 30 a 50% de cal hidratada para ser empleada como cemento en morteros, enlucidos y concreto en masa.

Figura

• En otro proceso, la ceniza obtenida del quemado del montón o la de producción del arroz precocido se mezcla con 20 a 50% (del peso) de cal hidratada. Esta es triturada durante seis o más horas en un molino de bolas para producir ASHMOH, un aglomerante hidráulico adecuado para obras de mampostería, cimientos y obras de concreto en general diferentes al concreto armado. Una variación de éste es el ASHMENT, en el cual se sustituye la cal por cemento portland, (Bibl. 08.04).

Figura

• También se ha desarrollado un método que emplea lodo de cal, residual obtenido de la refinación de azúcar. Este es secado y mezclado con una cantidad igual (de peso) de cascara de arroz triturada y algo de agua. Se hacen trozos a mano del tamaño de pelotas de tenis y se secan bajo el sol Estos son quemados sobre una parrilla en un horno abierto, para producir un polvo blando, que se muele en un molino de bolas. El aglomerante hidráulico es empleado de la misma manera que el ASHMOH.

• Una variante de este método utiliza suelo con un contenido mínimo de arcilla de 20% en lugar de lodo de cal. El aglomerante resultante puede emplearse como una mezcla de 30% con cemento portland, para hacer cemento portland, puzolánico. Las pruebas han mostrado que la puzolana es mejor si la arcilla es bauxitica.

• En el National Building Research Institute, Karachi, Pakistán: La primera casa de bajo costo para ser construida con cal y ceniza de cascara de arroz, reemplazando completamente el cemento en la producción de bloques aligerados resistente a la carga, mortero y enlucido. El 30% del cemento portland, de los dinteles de concreto prefabricados y de las viguetas de techo fue reemplazado por RHA.

La casa