Materiales de construcción ecológicos a partir de residuos de cenizas volantes

Las cenizas volantes, producidas en grandes cantidades por las centrales eléctricas de carbón de todo el mundo -más de 544 millones de toneladas al año- acaban en su mayoría en vertederos, lo que plantea graves problemas medioambientales.1 Aunque reducir la producción de cenizas volantes es un reto debido a nuestra dependencia de la energía del carbón, el sector de la construcción reconoce su potencial de reciclaje. Esto es vital porque el uso de cenizas volantes puede reducir sustancialmente la huella de carbono de los materiales de construcción.²

Fuente: AZO Build

El desarrollo de hormigón ecoeficiente a partir de cenizas volantes aporta múltiples beneficios, como el aumento de la resistencia temprana, la reducción del consumo de recursos naturales, la versatilidad en aplicaciones estructurales y la mejora de la durabilidad. Este estudio profundiza en las diversas características de las cenizas volantes y explora su potencial en la elaboración de materiales de construcción ecológicos.

Fuentes y producción de cenizas volantes

Las cenizas volantes son un subproducto generado al quemar carbón en centrales térmicas o calderas industriales. Se producen en cuatro tipos principales de calderas de carbón: de combustión en lecho fluidizado (FBC), de carbón pulverizado (PC), de ciclón y de fogón. Cada tipo de caldera sirve para fines distintos en la generación de electricidad y en diversos procesos industriales.

Las calderas de carbón pulverizado se utilizan principalmente en grandes centrales eléctricas, mientras que las calderas de combustión de carbón pulverizado, de ciclón y de fogón se encuentran habitualmente en diversas aplicaciones industriales. Durante el proceso de combustión, las cenizas volantes se acumulan cuando la corriente de gases de escape pasa por los filtros o cuando los gases de combustión se mueven a través de precipitadores electrostáticos, que forman parte de los sistemas de control de la contaminación.

En los hornos de fondo seco, aproximadamente el 80 % del total de las cenizas se libera en forma de cenizas volantes en los gases de escape. Cuando se quema carbón pulverizado en hornos de fondo húmedo, aproximadamente el 50% de la ceniza se mezcla con los gases de combustión. Los hornos ciclónicos utilizan alrededor del 70-80 % de la ceniza total como combustible, y el resto aparece como ceniza seca.

Se emplean varias técnicas de tratamiento para hacer que las cenizas volantes incineradas sean estables desde el punto de vista medioambiental y adecuadas para usos específicos. Entre ellas se incluyen modificaciones mineralógicas y químicas para mejorar las fases reactivas de las cenizas. Además, se utilizan métodos de procesamiento para eliminar contaminantes nocivos y mejorar la idoneidad de las cenizas para aplicaciones industriales.^1,2

Propiedades de las cenizas volantes

Las propiedades de las cenizas volantes dependen de su origen y de las características del carbón que se quema. Además, los métodos de combustión y la forma de las partículas desempeñan un papel importante en la determinación de las propiedades químicas y físicas de las cenizas volantes. Las cenizas volantes se clasifican en Clase C y Clase F en función de las proporciones de sus cuatro componentes principales: sílice (35-60 %), calcio (1-35 %), hierro (4-20 %) y alúmina (10-30 %). En las cenizas volantes de clase F, el contenido combinado de alúmina, sílice y hierro supera el 70 %, mientras que en las de clase C, este contenido oscila entre el 50-70 %^.1

Las partículas de las cenizas volantes son generalmente de forma irregular y finas, similares a las del cemento, con un diámetro medio inferior a 10 μm. Contienen fases cristalinas y amorfas heterogéneas, presentan una densidad de baja a media y una superficie elevada. Estas propiedades afectan a la permeabilidad, compresibilidad y resistencia de las cenizas.¹

Los parámetros clave para utilizar cenizas volantes como material de relleno inerte son la distribución granulométrica, la densidad aparente, el peso específico y el contenido de humedad. Además, la finura y la superficie específica son cruciales para aprovechar sus propiedades puzolánicas. El sílice de las cenizas volantes reacciona con compuestos alcalinos como la cal, dando lugar a reacciones puzolánicas.²

La pérdida de ignición (LOI) es otra característica crítica de las cenizas volantes. Debe reducirse al mínimo y, por lo general, se limita al 5-6 % según las normas. Una mayor LOI afecta negativamente a las propiedades mecánicas, la durabilidad y la trabajabilidad del hormigón que contiene cenizas volantes.¹ Comprender estas propiedades es esencial para optimizar el uso de las cenizas volantes en diversas aplicaciones de construcción.

Aplicación en la construcción

La industria mundial de la construcción, en rápido crecimiento, consume anualmente unos 260.000 millones de toneladas de cemento, cifra que se prevé que aumente un 25% en la próxima década. Al mismo tiempo, la eliminación de cenizas volantes en vertederos plantea importantes riesgos para la salud y el medio ambiente debido a la contaminación con elementos nocivos.

La utilización de cenizas volantes en la construcción puede mitigar significativamente los problemas medioambientales asociados a su eliminación. El reciclaje de las cenizas volantes en materiales de construcción ecológicos no sólo reduce la demanda de cemento, sino que también conserva recursos naturales como el clinker y la arcilla, promoviendo el desarrollo sostenible en la industria.

Las cenizas volantes también se emplean habitualmente como material puzolánico debido a la presencia de aluminosilicatos activos, sustituyendo parcial o totalmente al cemento Portland ordinario (OPC) en la producción de hormigón. Además, las finas partículas de ceniza favorecen la producción de hormigón autocompactante con mayor trabajabilidad.²

Más allá del cemento y el hormigón, las cenizas volantes tienen aplicaciones en el relleno de minas, la construcción de terraplenes, la recuperación de tierras bajas, la construcción de carreteras y diversos materiales de construcción como áridos, ladrillos, bloques y tejas. Los áridos a base de cenizas volantes presentan una elevada porosidad, lo que reduce el peso propio de las estructuras y proporciona un excelente aislamiento térmico.

De este modo, la incorporación de cenizas volantes a los materiales y métodos de construcción no sólo resuelve los problemas de eliminación medioambiental, sino que también mejora la sostenibilidad y el rendimiento de las prácticas constructivas.²

Últimos avances

Los últimos avances se han centrado en la combinación de cenizas volantes con otros materiales de desecho para mitigar el impacto ambiental de los materiales de construcción y, al mismo tiempo, mejorar su funcionalidad. Por ejemplo, un estudio publicado en Scientific Reports propuso combinar residuos agroforestales, residuos de construcción y demolición (C&D) y cenizas volantes para crear ladrillos ecológicos. Se evaluaron las emisiones de carbono y el comportamiento térmico de estos ladrillos en un edificio de 8×9×8 pies.³

La emisión total de CO2 de las cenizas volantes y los ladrillos de arcilla quemada fue de 43,28 gCO2 y 290 gCO2 por ladrillo, respectivamente. Así pues, la sustitución del 1-2% de los ladrillos de arcilla quemada por los ladrillos propuestos puede reducir entre 0,5 y 1,5 millones de toneladas de emisiones anuales de CO2. Además, los ladrillos a base de cenizas volantes consumen entre 10 y 15 veces menos energía que los ladrillos de arcilla quemada, a la vez que proporcionan un aislamiento adecuado.³

Más allá de las aplicaciones tradicionales en la construcción, las cenizas volantes se han utilizado en estructuras innovadoras. Por ejemplo, un artículo publicado en el Journal of Materials in Civil Engineering exploraba el uso del hormigón geopolímero de cenizas volantes (FGC) como material sostenible para construir arrecifes artificiales marinos. El FGC ofrece una gran durabilidad con emisiones, alcalinidad y costes reducidos. Las investigaciones microestructurales revelaron estructuras porosas densas en la matriz del FGC, y los elementos activos que contienen calcio en el FGC mejoraron su resistencia mecánica y su durabilidad⁴.

Conclusión y perspectivas de futuro

En general, el uso de cenizas volantes como sustituto del cemento en el hormigón puede resolver los problemas de eliminación y reducir las emisiones de CO2 asociadas a la producción de cemento. Sin embargo, los esfuerzos para reutilizar las cenizas volantes en la construcción sólo han tenido un éxito moderado.¹

Una mayor concentración de cenizas volantes en los materiales de construcción puede deteriorar sus propiedades mecánicas, como la absorción de agua y la trabajabilidad. Por lo tanto, o bien la sustitución del cemento debe emplearse a bajas concentraciones para maximizar los beneficios del hormigón que contiene cenizas volantes, o bien debe gestionarse una mayor incorporación al tiempo que se garantiza que las propiedades del hormigón se mantienen dentro de los estándares funcionales.²

Además, es probable que los métodos sostenibles actuales reduzcan la disponibilidad de cenizas volantes, aumentando la demanda de recursos naturales como el clinker y planteando retos medioambientales adicionales. Por lo tanto, el desarrollo de materiales de construcción sostenibles debería centrarse en la utilización de cenizas volantes de alto valor, más que en el reciclado de grandes volúmenes.²

Referencias y lecturas complementarias

1. Amran, M., Fediuk, R., Murali, G., Avudaiappan, S., Ozbakkaloglu, T., Vatin, N., Karelina, M., Klyuev, S., & Gholampour, A. (2021). Fly Ash-Based Eco-Efficient Concretes: A Comprehensive Review of the Short-Term Properties. Materials, 14(15), 4264. https://doi.org/10.3390/ma14154264

2. Chaudhary, S., Iyer, N. R., Kim, D., & Pijush Samui. (2020). New Materials in Civil Engineering. Butterworth-Heinemann. ISBN: 0128189614,9780128189610

3. Singh, S., Maiti, S., Bisht, R. S., Panigrahi, S. K., & Yadav, S. (2024). Large CO2 reduction and enhanced thermal performance of agro-forestry, construction and demolition waste based fly ash bricks for sustainable construction. Scientific Reports, 14(1), 8368. https://doi.org/10.1038/s41598-024-59012-8

‌4. Wang, W., Wang, B., Shen, L., & Fan, C. (2024). Properties of Fly Ash Geopolymer Concrete as Marine Artificial Reef Building Materials. Journal of Materials in Civil Engineering, 36(2). https://doi.org/10.1061/jmcee7.mteng-16541