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Utilizacin de
ceniza volcnica en la fabricacin de
materiales de construccin
Use of volcanic ash in the manufacture of construction materials
Uso
de cinzas vulcnicas na fabricao de materiais de construo
Santiago Nathanael Toapanta-Santacruz I santiago.toapanta@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-4378-3821
Correspondencia: santiago.toapanta@espoch.edu.ec
Ciencias
Tcnicas y Aplicadas
Artculos
de investigacin
*Recibido: 20
de agosto de 2021 *Aceptado: 15 de
septiembre de 2021 * Publicado: 01
de octubre de 2021
I.
Escuela Superior Politcnica de Chimborazo Sede
Morona Santiago. Grupo de investigacin GIRM.
II.
Escuela Superior Politcnica de Chimborazo Sede
Morona Santiago. Ingeniera Ambiental
III.
Escuela Superior Politcnica de Chimborazo Sede
Morona Santiago. Ingeniera Ambiental.
Resumen
Nuestro planeta se ve atemorizado por la fuerza natural que hace que los
volcanes emitan ceniza a causa de las erupciones, la ceniza no es ms que
partculas menores a 2mm que son expulsados en grandes cantidades junto con el
material piroclstico desde los volcanes en momentos
de erupcin, este es un fenmeno muy comn en ms de 400 volcanes que conforman
el cinturn de fuego. Sin duda alguna, la ceniza es un contaminante considerado
agresivo que no solamente afecta al aire sino tambin al suelo y agua, razn
principal razn para que los expertos
busquen una alternativa donde se pueda usar estas cenizas volcnicas para
fabricar materiales en el rea de construccin .Para ello se realiz una
investigacin bibliogrfica que detalla considerablemente la importancia del
uso de la ceniza volcnica como un agregado en la produccin de los materiales
de construccin como lo es el concreto y la demanda que impulsa a este uso. As
mismo, se ha propuesto al Cemento Portland como uno de los cementos
ms utilizado por su alta eficiencia en construcciones civiles e
industriales.
Palabras clave: Volcn; ceniza; materiales de construccin; residuos; resistencia.
Abstract
Our planet is
frightened by the natural force that causes volcanoes to emit ash due to
eruptions, the ash is nothing more than particles smaller than 2mm that are
expelled in large quantities together with pyroclastic material from volcanoes
in moments of eruption. This is a very common phenomenon in more than 400
volcanoes that make up the fire belt. Without a doubt, ash is considered an
aggressive pollutant that not only affects the air but also the soil and water,
the main reason why experts look for an alternative where these volcanic ash
can be used to manufacture materials in the construction area. For this, a
bibliographic research was carried out that considerably details the importance
of the use of volcanic ash as an aggregate in the production of construction
materials such as concrete and the demand that drives this use. Likewise,
Portland Cement has been proposed as one of the most widely used cements due to
its high efficiency in civil and industrial constructions.
Keywords: Volcano; ash; Construction materials; waste;
endurance.
Resumo
Nosso planeta se assusta com a fora
natural que faz com que os vulces
emitam cinzas devido s erupes,
as cinzas nada mais so do que partculas menores que 2mm que so expelidas em grandes quantidades junto com material piroclstico de vulces em momentos de erupo. Isso muito comum
fenmeno em mais de 400 vulces que compem o cinturo de incndio. Sem dvida,
a cinza considerada um poluente agressivo que afeta no s
o ar, mas tambm o solo e a
gua, razo pela qual os especialistas procuram uma alternativa onde essas cinzas vulcnicas
possam ser utilizadas para a fabricao
de materiais na rea de construo. Foi realizada uma pesquisa bibliogrfica que detalha
consideravelmente a importncia
do uso da cinza vulcnica
como agregado na produo
de materiais de construo
como o concreto e a demanda que impulsiona esse uso. Da mesma forma, o
Cimento Portland tem sido proposto
como um dos cimentos mais
utilizados devido sua
alta eficincia na construo civil e industrial.
Palavras-chave: Volcano; cinza; materiais de construo; desperdcio; resistncia.
Introduccin
El presente artculo
de revisin hace referencia a la utilizacin de la ceniza volcnica, dentro del
rea de la construccin. Se puede definir a la ceniza como una composicin de
partculas de roca y minerales menores a 2 mm de dimetro, resultantes de un periodo
de actividad volcnica. Por su composicin la ceniza vara de acuerdo al tipo
de volcn.
La peculiaridad
principal de este tipo de material es que se encuentra dentro de uno de los
contaminantes ambientales ms agresivos de procedencia natural que no se puede
evitar.
Est crisis a
concientizado a miles de personas a reutilizar cada material que provee la
naturaleza, entre los innumerables componentes
se encuentra la ceniza de origen volcnico, como material utilizado en
la fabricacin de productos para la construccin.
Uno de los productos
finales que tiene la ceniza es el cemento o concreto, material fundamental
manipulado en las obras civiles, la misma que cuenta con un proceso muy largo que requiere de la quema de grandes cantidades de
gas inflamable, y a su vez la desintegracin de piedra caliza la cual provoca
descomunales cantidades de dixido de carbono hacia la atmsfera, los cuales
van en crecimiento en un ndice de 6 al 7% de emisiones en todo el mundo.
Para examinar esta
problemtica y encontrar una forma de reutilizar este material es necesario
conocer algunas muestras, por ejemplo Amrica Latina es la cuna de una decena
de volcanes activos con actividad
constante y otros potencialmente peligrosos y destructivos, como es el caso del
volcn de Fuego ubicado en Guatemala.
Del mismo modo Ecuador
est constituido por 55 volcanes de los cuales 8 son considerados como los ms
activos entre ellos el Cotopaxi, debido a sus potentes erupciones, es ms, Las islas Galpagos (territorio Ecuatoriano)
tambin cuenta con ocho volcanes que mantienen una actividad regular y todos
ellos son controlados por el instituto geofsico de la Escuela Politcnica
Nacional (IGEPN).
Para elaborar los
materiales de construccin por lo general se designa por materias primas de muy
bajo costo y disponibilidad con el objetivo de ser duraderos. Uno de los
cementos ms utilizados actualmente es el cemento Portland, un material
artificial hidrulico responsable del 8%
de emisiones de dixido de carbono en todo el mundo.
Por esa razn,
estudios buscan reemplazar el cemento Portland por la ceniza volcnica la misma
que se encuentra disponible en la naturaleza gracias a la cantidad de volcanes
ubicados en el cinturn de fuego del pacfico.
(Amrica Digital, 2020)
Origen e historia
Su historia proviene
de la poblacin de Puzzuoli, localizado en la Ciudad
metropolitana de Npoles en Italia.
Su crecimiento fue
dando vida a todo aquel material o producto que contenan caractersticas
parejas a la puzolana en su origen esencial. (CENAPRED, 2016).
Estudios propuestos
por la ASTM (Sociedad Estadounidense para pruebas y materiales) hacen
referencia a la puzulana como material silceo el
cual se encuentra en baja magnitud y contiene gran cantidad de elementos que se
atraen y se une con la cal (xido de calcio) al entrar en contacto con el agua,
de este modo forma derivados compuestos con
escasa disolucin donde demuestran propiedades aglomerantes. (Instituto
Geofsico, 2021).
Durante el ao 1940
los Estados Unidos de norte amrica comenz a estudiar a los volcanes,
exactamente el estudio fue a los materiales puzolnicos,
despus de estos estudios se intent mezclar la ceniza volcnica en las
empresas de cementos. En cierta medida estos anlisis brindan oportunidades a
las industrias que proveen materiales de construccin, denotando su principal
motivo como: obtener cementos sustentables, reciclar residuos e incorporarlos como nuevos productos al
mercado, si bien se conoce el proceso de manufactura, para su fabricacin
artesanal no se requiere del uso de
hornos que alcanzan los mil 500 grados centgrados (Quiones, 1993)
Estudio cinvestav
Un Grupo de
cientficos del centro de investigacin y de estudios avanzados, estudian las
cenizas volcnicas para la fabricacin del cemento ecolgico. Su estudio
propuso resultados favorecedores, ya que el uso de materia prima, residuos y
material natural ayudan a conseguir un cemento resistente y duradero.
El investigador Ph.D Jos Ivn Escalante Garca, enfatiz los beneficios de
bajo impacto ambiental, sobre las matrices de concretos brindando alternativas
detalladas, como el producto ms distribuido en todo el mundo detrs del agua,
y por lo que se funda el cemento portland.
Para el desarrollo del
caso, el investigador de Cinvestav, apunto que decidieron ese material debido a
la cantidad, el bajo costo de
adquisicin, composicin qumica y carcter amorfo que presenta su estructura
atmica. Segn Escalante Garca, alrededor de 7 de cada 13 cementos
sustentables desarrollados en su centro de investigacin no los elabora ningn otro laboratorio, por lo
que Cinvestav unidad saltillo es el primero con el
uso de los materiales reciclados para la sustentacin de nuevos cementos para la utilizacin en construccin y otras
industrias. De tal manera que sus investigaciones no se detienen a nivel
mundial.
La metodologa con la
que se proyecta este tipo de cemento es:
La introduccin dentro de un molino, a su vez se adicionan agentes activantes alcalinos y sulfaticos
tiles en el comercio, donde se produce una aceleracin qumica en combinacin
con el agua, generando un aglomerante y dando como resultado la creacin de
compuestos qumico de cementos, tambin muestran excelentes virtudes
ingenieriles.
Las elaboraciones de
nuevos cementos poseen hasta 80% de material volcnico en su producto, por lo
cual no necesitan implementar hornos con altos grados durante su elaboracin.
(Garca, 2019)
Este mtodo sigue
vigente hasta la actualidad y el cemento portland puzolanico
es el ms manipulado en las grandes construcciones de obras de ingeniera, esto
debido a su larga durabilidad para las cuales fueron creadas.
Con este estudio se
concreta al cemento portland puzolanico como el
resultado obtenido despus de aadirle al cemento comn el material puzolanico, logrando
cambiar en porcentajes que van desde el 15 al 50% de resistencia.
En tanto a sus
propiedades, el cemento basado en cenizas volcnicas no solo es ms econmico
en trminos de produccin, tambin en las pruebas realizadas en el cinvestav unidad saltillo, se ha podido confirmar que su
funcionamiento se acerca a la del cemento portland, incluso sus parecidos son
altos.
Ceniza volcnica
En s las cenizas
volcnicas varan en propiedades, ya que depende del tipo de Volcn y su
origen. Bien se sabe que en Ecuador existen yacimientos de puzolana natural es
decir las que son provenientes de erupciones volcnicas. Es ms, en la
actualidad, se tiene en planes la recoleccin de la ceniza volcnica del
Tungurahua en Ecuador, ya que presenta propiedades idneas para ser tomada en
consideracin y pueda ser manipulada en alguna obra de construccin y brinde una
ventaja econmica y ambiental a las adversidades. (Suarez Avila
& Urgiles Cabrera, 2010)
Composicin
Las puzolanas o
cenizas son incorporadas dentro del cemento donde tienen la capacidad de formar
productos de hidratacin a travs de una reaccin qumica secundaria donde
prcticamente se combina con el Ca(OH)2 formado durante la hidratacin de los
compuestos slico-calcreos (C3S y C2S) denominada
primaria, resultando compuestos SCH (slico-calcreos
hidratados)
Tabla 1. Composicin de las
cenizas de erupciones, en porcentaje.
|
Material Constituyente |
Fuego, 1975 |
Galunggung |
|
SiO2 |
52,30 |
61,30 |
|
Al2O3 |
18,70 |
7,10 |
|
FeO |
9,10 |
7,10 |
|
CaO |
9,40 |
5,70 |
|
Na2O |
3,90 |
4 |
|
MgO |
3,40 |
1,70 |
|
K2O |
0,80 |
1,50 |
|
TiO2 |
1,20 |
1,3 |
|
P2O5 |
|
0,33 |
Segn la comparativa
de la tabla 1, donde se observa la composicin mineralgica de las cenizas
entre dos volcanes podemos distinguir que el Slice (SiO2) es el material que
ms predomina en las cenizas volcnicas en una erupcin. (Gomez,
2011)
Reaccin:
a)
Hidratacin primaria: CnS
+ H2O → gel SCH + (OH)2Ca
b)
Hidratacin secundaria: SiO2 + (OH)2Ca + H2O → gel SCH
El SiO2 es aportado
por la puzolana y el Ca(OH)2 es el subproducto generado durante la hidratacin
primaria. Durante la hidratacin de las
puzolanas no hay produccin de (OH)2Ca. Por lo tanto, se puede considerar
positivo, ya que a medida que avanza el proceso de hidratacin la cal libre
disminuye, indicando la formacin de productos de hidratacin.
La ceniza adems de
sostener una baja cantidad de cal libre en la pasta de cemento, tambin obtiene
un mayor porcentaje de volumen en productos SCH, para lo cual su relacin
agua-cemento es el mismo
produciendo una menor porosidad
por el refinamiento de poros y una menor permeabilidad respecto del cemento
normal, producido a partir del mismo Clinker. (Torres, Ponce, & Gmez,
2017)
Las adiciones
minerales ms producidos son:
cenizas volantes,
escorias granuladas,
micro slice y otras puzolanas naturales o
calcinadas.
La naturaleza de los
productos formados durante la reaccin puzolnica en
los cementos mezclados depende de las propiedades de las puzolanas y del clinker utilizado para confeccionar el hormign.
Los principales
productos de reaccin son:
Silicato clcico hidratado (CSH).
Algunas cantidades de estringita.
Aluminatos hidratados.
El equilibrio de los
productos de reaccin depende de las caractersticas qumicas y mineraloga de
las cenizas a usar.
Hoy en da existen
variedad de productos en los que se usan las cenizas, donde predomina la
produccin de cemento Prtland puzolnico,
el cual brinda un infinidad de ventajas.
Esta ventaja es porque los aluminosilicatos
que estn en la ceniza, reaccionan con el Hidrxido de Calcio que expulsa en la
hidratacin del cemento Prtland. Esta reaccin lenta
hace que disminuya el calor, mejorando su resistencia cuando est en ambientes
cidos, lo cual tambin hace que se rellenen los espacios resultantes de la
reaccin de hidratacin del cemento, aumentando as la impermeabilidad y la
resistencia mecnica. (Romero & Vzquez, 2010)
La reaccin qumica
del fraguado
Esta reaccin del
cemento se la plantea de manera siguiente:
C3S + H = CXS-H +
(3-x) CH
Donde: C = CaO; S = SiO2; H = H2O
Sabiendo que el gel
C-S-H viene a ser lo principal en las propiedades mecnicas del cemento.
El equipo de investigadores de Argentina,
menciona que con las cenizas volcnicas se puede construir material de
construccin que permitir crear estructuras resistentes y eficientes, razn
por la que se estn realizando pruebas para reemplazar el cemento por ceniza
volcnica. (Aguilar, 2018)
Desventajas
A pesar de que el
cemento puzolnico tiene buenas caractersticas,
tambin tiene sus desventajas dentro de las que se pueden encontrar:
Requerimiento de mayor cantidad de agua para
el mezclado.
Menor resistencia a la compresin en edades
cortas, a partir de los 28 das de fraguado.
Requiere mayor cuidado a la hora del curado,
ya que al hidratarse el cemento se forma el silicato triclcico
y la cal que desprende es la que reacciona con la puzolana, favoreciendo a que
no entren con gran facilidad los iones cloruros, los cuales son responsables de
la corrosin del acero.(Quiones, 1993)
Cemento Portland
Polvo de color
gris/verdoso, de gran valor como material estructural, alcanza la dureza ptrea
despus de ser amasado con agua, considerado un aglomerante hidrulico por
excelencia (Hermoza, 2019).
Durante el proceso de
fraguado del cemento portland puzolnico, se deben
considerar las propiedades de los fragmentos en estado fresco y en estado
endurecido.
Propiedades en estado fresco
Propiedades tales como
forma, tamao y distribucin; dependen de las caractersticas de los materiales
y de las proporciones usadas, destacndose la influencia de los agregados que
suelen ocupar ms del 70% del volumen del hormign. Segn varios experimentos
realizados, las caractersticas del cemento portland puzolnico
influyen en el comportamiento del hormign, debido a que posee caractersticas
ms finas que el cemento portland ordinario, por esta razn se requiere mayor
demanda de agua para el hormign.
Para que sea
aprovechada la alta capacidad de retencin de agua, los hormigones fabricados
con puzolana, deben hacer uso de aditivos plastificantes, lo cual ayuda a
disminuir el contenido de cemento en lo mximo. (Hermoza
, 2019).
Ilustracin 1. Ladrillos hechos a
base de cenizas volcnicas.
Fuente:UNRN
Profesores
investigadores de la Universidad Nacional de Ro Negro, Argentina, disearon y
fabricaron un bloque tipo T como se muestra en la ilustracin 1, cuyo fin es de
adaptarlos a construcciones de viviendas, utilizando material residual
volcnico, como la ceniza, provenientes del volcn Puyehue.
Caractersticas
Gran durabilidad
Baja permeabilidad
Bajo grado de calor de hidratacin
Alta resistencia final
Materiales contaminantes
Existen muchos
materiales y los ms comunes son los finos indeseables: limo y arcilla, materia
orgnica, carbn, lignito, partculas ligeras, terrones de arcilla y otras
partculas.
El papel que juega las cenizas para obtener una interface de calidad.
Producir retraso en el proceso de fraguado
haciendo reacciones ms lentas y de menor intensidad.
Mejor docilidad en el cemento con menos
requerimiento de agua
Reduccin de costos en la produccin de
cementos
Reduccin de calor de hidratacin
Ms resistencia a la accin de los sulfatos y
de los hidrxidos de calcio.
La desventaja es en la resistencia final, mayor contraccin al secarse y
menor durabilidad.
La investigacin fue
descriptiva, de carcter no experimental,
de tipo comparativo, el cual investiga un problema para posteriormente
describir a travs de cmo son y cmo se
manifiestan los problemas en la contaminacin del medio ambiente, adems tiene
un diseo no experimental debido a
que recolecta datos en un solo momento y
en un tiempo nico, donde analiza su incidencia.
Para el trabajo
investigativo, junto con la validacin de antecedentes se logr determinar los
materiales que se emplean actualmente en la construccin con agregados de
ceniza volcnica.
El alcance del proyecto
es sistematizar los procesos que actualmente mantiene la actividad de la
construccin con el uso de la ceniza volcnica y lo que conlleva a no destruir
el ecosistema para lograr un ambiente sustentable.
De igual forma se detalla la tcnica e instrumentos que se
utiliz para la recoleccin de datos a partir de la informacin recaudada de
las diferentes fuentes de informacin primaria, artculos cientficos e
investigaciones, al igual que resmenes,
libros, textos acadmicos, revistas
relacionadas con la investigacin y finalmente el uso de herramientas
utilizadas para el desarrollo de crear nuevas habilidades de cuidar el medio
ambiente.
Este proyecto
investigativo fomenta la iniciativa de sistematizar toda la informacin
recolectada a lo largo de esta investigacin, en efecto el modelo de
metodologa ya nombrado cuenta con cuatro etapas las cuales son anlisis,
diseo, pruebas y documentacin.
Anlisis de resultados
La ceniza es un
problema que afecta a todo el ambiente en el que viven los seres vivos y es una
crisis que al mismo tiempo lleva a los pobladores a preocuparse por contribuir
a la reutilizacin de la ceniza volcnica en este caso como material para fabricacin
de productos de construccin.
Uno de los productos
finales de la ceniza es el cemento, sin embargo, consta de un proceso en el que
se necesita la quema de grandes
cantidades considerables de gas inflamable, e incluso requiere de una
desintegracin en particular de piedra caliza causando la existencia de dixido
de carbono, las cuales segn investigaciones tiene un ndice de 6 a 7% en todo
el mundo.
Discusin
La produccin y consumo del cemento representa entre el 8%
y el 10% del CO2 antropognico en el mundo. Dado que
la industria de la construccin va de la mano con el alto crecimiento
poblacional en las zonas urbanas, se dice que la fabricacin del cemento
generar un alto golpe ambiental en los
prximos aos, por lo que se propone una llamada de atencin a los organismos
vinculados, brindando alternativas inmediatas para una solucin eficaz.
Lo anterior nos lleva
a pensar que hacen falta ms investigaciones para usar estas cenizas volcnicas
en otros procesos de construccin.
Conclusiones
El trabajo de revisin
se concluye en base a las inferencias prioritarias por parte de las
investigadoras donde el resultado es el fruto obtenido del proceso de
investigacin sobre la ceniza volcnica en el rea de la construccin.
Por lo tanto:
El uso de la ceniza volcnica como material
introducido en la construccin es una oportunidad para las industrias dedicadas
a esta funcin, donde pueden fabricar
cementos con un alto grado de
resistencia, sustentables con el medio
ambiente, reutilizando residuos
naturales.
La ceniza volcnica es uno de los principales
contaminantes ambientales de origen
antrpico, debido a los gases que emiten en la fase de erupcin.
El cemento Portland, es uno de los tipos de
cemento ms utilizados a nivel mundial, debido a su elevada resistencia para
obras civiles de mayor grado de
magnitud.
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