Eco-hormigones y eco-morteros con cenizas de biomasa

Tal y como se ha señalado en el apartado de antecedente del capítulo 1, cada año, la industria papelera genera grandes cantidades de cenizas de biomasa. Darle a este residuo un uso es de vital importancia desde el punto de vista medioambiental y económico. Pero normativas actuales, tales como la ASTM C618-08 [RN 02] y la UNE-EN 450-1 [EN 04], no permiten el uso de cenizas de biomasa para la fabricación de hormigón, debido a que no existe suficiente conocimiento sobre los efectos que pueden tener en las propiedades de los hormigones.

Existen algunos estudios en los que se ha estudiado la influencia de las cenizas de biomasa en la resistencia a compresión de morteros, comparando los resultados de resistencia de morteros fabricados con distintas porcentajes de sustitución de cemento por cenizas de biomasa.

Rajamma et al. [RAJA09] utiliza una ceniza volante procedente de una central térmica y una ceniza volante de biomasa procedente de una planta de cogeneración. En cuanto a su análisis químico, ambas cenizas son similares a las de clase C de la norma UNE EN 450-1 [EN 04]. Fabricaron morteros con sustituciones del 10, 20 y 30%, obteniendo que la resistencia a flexión decrece con el porcentaje de sustitución y la resistencia a compresión crece hasta el 10% y luego decrece. Concluye que puede sustituirse hasta un 20% de cemento por cenizas pero que la resistencia será un 75% de la de referencia. También indica que los niveles de cloruros o sulfatos pueden ser significativos por lo que sugiere que sean eliminados.

García et al. [GARC13] desarrollan un estudio sobre la influencia de las cenizas de fondo de madera en ciertas propiedades de los morteros. Para ello, estudian tres dosificaciones de mortero: una dosificación de referencia sin cenizas, una con un 5% de sustitución de cemento por cenizas de biomasa y otra con un 10% de sustitución. Se observa que la resistencia a compresión disminuye con el porcentaje de sustitución de cenizas a 28 días, pero a 90 días, se produce el efecto inverso, es decir, los morteros con cenizas muestran una mayor resistencia que el convencional. No han observado diferencias en la resistencia a flexión, ni en la densidad, ni en la capacidad de absorción. Sí observan una permeabilidad a los cloruros un poco superior para los morteros con cenizas, lo que indica que, con mucha probabilidad, los morteros con cenizas presenten una menor durabilidad.

Ramos et al. [RAMO13] utilizan unas cenizas de residuos de madera que cumplen las condiciones de la UNE-EN 450-1 [EN 04] para fabricar morteros con sustituciones de cemento por cenizas del 10 y 20%.

15 Los resultados que obtienen son que las resistencias a flexión y a compresión a 7, 28 y 90 días para los tres morteros son similares, que la profundidad de carbonatación fue mayor en los morteros con cenizas que en el que no tenía cenizas y que la expansión álcali-sílice se redujo un 18% para el mortero con 10% de cenizas y un 60% para el mortero con un 20% de cenizas. Debido a lo anterior la conclusión final es que la utilización de cenizas de madera como sustitución parcial del cemento puzolánico es prometedora.

En la investigación desarrollada por Tkaczewska et al. [TKAC12] se estudia el comportamiento de 6 cenizas volantes de co-combustión de carbón y biomasa como adición. Para ello hacen 6 morteros con un 75% de cemento y un 25 % de cada uno de las cenizas anteriores, un mortero de referencia y otro con cenizas comerciales y la misma sustitución que antes. De los resultados obtenidos concluyen que a 28 días todas las cenizas de carbón-biomasa retrasan la hidratación del cemento y disminuyen la resistencia del mortero con respecto al de referencia pero se obtienen mejores resultados con las cenizas de co-combustión que con las cenizas comerciales.

Johnson et al [JOHN10] utilizan en su estudio tres tipos de cenizas, una convencional de carbón y dos de carbón-biomasa quemando un 15 y un 66% de madera, todas las cenizas cumplen las prescripciones de la ASTM C-618-08 [RN 02]. Se hicieron morteros con sustituciones del 20 y del 40% obteniéndose las siguientes conclusiones: ninguna de las dos sustituciones afectó al contenido de aire ocluido ni a la resistencia a compresión y la sustitución del 20% no afectó a la durabilidad del mortero respecto a los ciclos de hielo-deshielo.

Martínez-Lage et al. [MARTXX] también desarrolla un estudio sobre la influencia de las cenizas de biomasa en las propiedades mecánicas de los morteros a 28 días, con porcentajes de sustitución de cemento por cenizas de biomasa del 0%, 10%, 20% y 30%. Se observa una disminución de la resistencia a flexotracción debido a la sustitución de cenizas, llegando a producirse una disminución de un 13% para el mortero del 30% de cenizas de biomasa. Por el contrario, la resistencia a compresión es mayor en los morteros con cenizas de biomasa que en el mortero de referencia, si bien el mayor incremento de resistencia (en torno a un 19%) se observa en los morteros con un porcentaje de sustitución del 10%. Para porcentajes de sustitución mayores la diferencia de resistencia con el de referencia es menor.

Otro estudio que trata sobre este tema es el desarrollado por Esteves et al [ESTE12]. En esta investigación se utilizan dos tipos de cenizas de biomasa, una procede de una planta de energía térmica (BFA1) y la otra del proceso de cogeneración de una industria de papel (BFA2), ambas cenizas pueden ser clasificadas como clase C según la UNE-EN 450-1 [EN 04]. Fabrican 7 morteros, uno sin cenizas (referencia), 2 con una sustitución de cemento por cada ceniza del 20%, otros 2 con una sustitución por cada ceniza del 30% y los otros 2 con una sustitución de cemento del 20% por cada ceniza y del 10% por metacaolín. Analizan la expansión en el ensayo de álcali-sílice con un árido fino altamente reactivo. El de referencia es el que da la mayor expansión (0,5%). Los que sólo tienen cenizas dan entre 0,3 y 0,4% (menor expansión con 30% de sustitución con cualquiera de las dos cenizas y menor expansión con las BFA2 que con la BFA1). Los que tienen metacaolín dan menos de 0,1% a 14 días y menos de 0,1% a 28 días con las cenizas BFA1 y menos de 0,2% a 28 días con las BFA2. Por lo tanto, concluyen que la utilización de cenizas de biomasa junto con metacaolín mitiga las reacciones álcali-árido.

También existen algunos estudios sobre la influencia de la utilización de cenizas de biomasa en las propiedades del hormigón, ya sea como sustitución de parte del cemento o como filler.

16

Barbosa y otros [BARB13] utilizan dos cenizas de biomasa, una volante y otra de fondo para fabricar 12 hormigones con cenizas y uno de referencia (F1). En los hormigones F2, F3, F4 y F5 se sustituyó un 10% del cemento por cenizas volantes, en el F6, F7, F8 y F9 un 20% y en el F10, F11, F12 y F13 un 30%. Además en algunos hormigones se sustituyó áridos por cenizas de fondo, en el F3, F7 y F11 un 9%, en el F4, F8 y F12 un 18% y en el F5, F9 y F13 un 36%. De los resultados concluyen que para una sustitución del 10% de cenizas volantes la resistencia a compresión es similar a la del hormigón de referencia y por el contrario con la sustitución del 30% se obtienen valores de la resistencia a compresión menores que los del hormigón de referencia y que la sustitución del 18% de áridos por cenizas de fondo es la que proporciona mayores valores de la resistencia a compresión. Todos los hormigones presentaron bajas emisiones tanto en lixiviación de agua dulce como en lixiviación de agua marina.

Wang y otros [WANG07] hacen un estudio comparativo de hormigones sin cenizas, con cenizas volantes de carbón (clase C) y con 2 mezclas de cenizas de biomasa y de cenizas de carbón (SW1 y SW2) comprobando que las resistencias a compresión que se obtienen sustituyendo un 25% del cemento por cenizas son similares para cualquier tipo de cenizas a 7, 28, 91 y 365 días y para 28, 91 y 365 días también son similares a la del hormigón sin cenizas. También comprueban que al cabo de un año las cenizas de biomasa han experimentado una significativa reacción puzolánica y que el consumo de hidróxido de calcio es similar en todos los casos lo que indica que la cinética de los dos tipos de cenizas volantes es similar. Por último comprueban que las cenizas mezcla de biomasa y de carbón tuvieron un mejor comportamiento en la mitigación de la expansión álcali-árido que las cenizas C a pesar de contener mayor contenido de álcali. La conclusión final es que la ASTM C 618 no debería de excluir a las cenizas de biomasa como adición de hormigón.

Wang y otros [WANG08a] fabrican hormigón sin cenizas, con cenizas volantes de carbón (clase C y F), con mezclas de cenizas de biomasa y de cenizas de carbón (SW1 20-80 y SW2 10-90%), con cenizas de madera, con mezcla de cenizas de madera y clase C (20-80%) y con mezcla de cenizas de madera y clase F (20-80%). Todos los hormigones cumplen que tienen 950 kg de árido grueso por m3 _de hormigón, que la relación agua/cemento + cenizas es de 0,5, que cenizas/cemento es 1/3, el contenido de aire ocluido está comprendido entre 4 y 6% y el cono entre 7,6 y 12,7 cm. El árido fino se ajustó en cada hormigón para obtener los valores anteriores. Se ensayan probetas a compresión a 1, 3, 7, 28, 56 y 365 días. Los principales resultados obtenidos fueron: (1) para todos los casos la demanda de agua fue similar o menor que para el caso de no tener cenizas, excepto en el caso de las cenizas de madera (6% mayor), por la forma irregular de las cenizas, la alta porosidad o la alta LOI, (2) en todas las mezclas hubo que añadir más aireante que en el hormigón sin cenizas seguramente debido a la elevada superficie seca y elevada capacidad de absorción del carbono, en los hormigones SW1 y SW2 se necesitó más aireante que en el de cenizas de madera, (3) ninguna mezcla desarrolla resistencias significativas antes de 300 mininutos y las cenizas retrasan el tiempo de fraguado, (4) los hormigones con cenizas de biomasa tienen una resistencia a compresión similar a los hormigones con otras cenizas volantes de 1 a 7 días pero inferior a la del hormigón con cemento a partir de un mes de edad.

Se fabrican los mismos hormigones que en el caso anterior pero ahora para estudiar su comportamiento frente a la durabilidad [WANG08b]. Las conclusiones que obtienen son: las cenizas volantes de cualquier tipo no tienen impacto frente a hielo-deshielo, se necesita más aireante en el caso de los hormigones con mezcla de cenizas, después en los que tienen cenizas de madera y por último en el patrón y las cenizas mezcladas tienen un comportamiento similar a las cenizas de clase F

17 en el test de la permeabilidad rápida del cloruro pero las cenizas de madera lo tienen mayor, similar al de sin cenizas, seguramente debido al mayor tamaño de sus partículas.

En el trabajo desarrollado por Carrasco et al. [CARR14] se investiga la influencia de la sustitución de cenizas de fondo de una planta de biomasa por cemento en proporciones desde el 10% hasta el 90% en la fabricación de bloques de hormigón de resistencia a compresión 20 MPa. Obtienen que a medida que aumenta el porcentaje de sustitución de cemento por cenizas aumenta la porosidad, lo que conlleva a la disminución de la conductividad térmica lo cual es beneficioso. Asimismo también obtienen que disminuye la densidad aparente por lo que aumenta la absorción de agua comprobando que también disminuye la resistencia a compresión. De todas las sustituciones realizadas (1:9, 2:8, 3:7, 4:6, 1:1, 6:4, 7:3, 8:2 y 9:1) concluyen que la mejor es la 1:1 ya que tienen una buena resistencia a compresión y una buena conductividad térmica y además para sustituciones mayores apreciaron la aparición de fisuras cuando se sometían a ciclos de hielo-deshielo. Por último, indican que las cenizas de fondo contienen valores significativos de K2O y MgO por lo que se puede comprometer la durabilidad del hormigón y recomiendan eliminarlas.

Cuenca et al. [CUEN13] realizan una investigación en la que se utilizan unas cenizas volantes procedentes de una caldera de biomasa de residuos del olivo como filler de un hormigón autocompactante. Lo primero que estudian es si los métodos de dosificación habituales de hormigones autocompactantes son válidos cuando parte del fíller se sustituye por las cenizas de biomasa comprobando que el uso de cenizas de madera en la fabricación de hormigón autocompactante requiere una mayor demanda de agua debido a la forma irregular de las partículas, a la alta porosidad y a la mayor LOI. Fabrican dos hormigones autocompactantes y los dos de referencia equivalentes, la dosificación es distinta pero en lugar de las cenizas ponen un fíller convencional. Obtienen que para tener las mismas condiciones de autocompactabilidad si se utilizan las cenizas de biomasa se necesita aumentar la dosis de superplastificante y que la resistencia a compresión en el hormigón con cenizas a 3, 7 y 28 días es ligeramente superior a la del hormigón con fíller comercial. La conclusión final es que es factible el uso de cenizas de biomasa como fíller en hormigones autocompactantes.

Además de la influencia de las cenizas de biomasa en las propiedades mecánicas de los morteros, Martinez-Lage [MARTXX], también desarrolla un estudio de su influencia en las propiedades mecánicas en hormigones con un 0%, 10% y 20% de sustitución de cemento por cenizas de biomasa. Observa su influencia en la resistencia a compresión (a 7 y 28 días), la tracción indirecta y el módulo de deformación (estos últimos a 28 días). Con un 10% de sustitución la resistencia a compresión es ligeramente superior a la obtenida en el hormigón de referencia, tanto a 7 como a 28 días. Por el contrario, con un 20% de sustitución a se observa un descenso de la resistencia a compresión. Apenas se observa la influencia en el módulo de deformación y en la resistencia a tracción indirecta. En cuanto a la penetración de agua bajo presión, se observa una disminución debida a la sustitución parcial de cemento por cenizas de biomasa, tanto en la penetración media como en la penetración máxima. La composición química de las cenizas de biomasa es muy variable, tal y como se puede observar en la tabla 2.1, donde se muestran las composiciones químicas de algunas de las cenizas utilizadas en los anteriores estudios [GARC10, RAJA09, JOHN10, ESTE12, MASC11, RAMO13, TKAC12, GARC13, BARB13, CARR14, WANG08a, WANG07, RAMO14, CUEN13]. Analizando la composición de las cenizas de biomasa utilizada en estos estudios se puede comprobar que existe una gran dispersión, así la suma de los contenidos de dióxido de silicio (SiO2), óxido de aluminio (Al2O3) y óxido de hierro (Fe2O3) varía entre 4 y 90%, y el contenido de óxido de calcio (CaO) entre 2 y 55%. La pérdida por calcinación

18

(LOI) en muchos casos es inferior a 9% (valor máximo permitido en la UNE-EN 450-1) pero en algunos se supera [GARC10, ESTE12, CUEN13].

Tal y como se señalaba en el capítulo 1, el conocimiento de la evolución de las propiedades mecánicas del hormigón a edades tempranas es de vital importancia en la fase de construcción ya que conocer la resistencia que ha adquirido un hormigón en el momento de descimbrar, desmoldar, transferir un pretensado o poner en carga puede mejorar la seguridad durante la obra, disminuir la cantidad de rechazos y prevenir problemas que surgen en las estructuras en la fase de construcción o fabricación. Para el caso de hormigones con cenizas volantes procedentes de la combustión del carbón, se ha comprobado que la evolución de la resistencia a compresión es mucho más lenta que en los equivalentes sin cenizas estando mucho más acusado los 7 primeros días [FANG15, SOSH06, TRTN15, VOIG03, DEMI04, BELI08].

Cabe destacar que apenas existen investigaciones que se centren en la influencia de las cenizas de biomasa en las propiedades mecánicas del hormigón a edades tempranas [WANG08a, GARC13] y no se han encontrado estudios específicos sobre la influencia del porcentaje de cenizas de biomasa, como sustitución del cemento, en la cinética de evolución de las propiedades mecánicas de los hormigones a edades tempranas (en hormigón endurecido) distintas temperaturas, ni en la correlación de las mismas con ensayos no destructivos.

Por ello, en esta investigación tiene como uno de sus objetivos específicos analizar la influencia que tienen las cenizas de biomasa (como sustitutivo parcial del cemento) sobre la evolución de las propiedades mecánicas del hormigón (módulo de deformación y resistencia a compresión), con el fin de obtener un mayor conocimiento del desarrollo de las propiedades mecánicas a edades tempranas, consiguiendo así un mayor control y conocimiento sobre la influencia de las cenizas de biomasa.