CDT Un reciente artículo publicado en Applied Sciences exploraba el potencial de un nuevo curso de cenizas volantes como material de sustitución del cemento. Las cenizas volantes examinadas procedían de los depósitos de 1985 a 1995 de una central eléctrica de carbón de Irlanda.
Fuente: AZO Build
Estaba previsto que la generación de electricidad mediante la combustión de carbón desapareciera en Irlanda en 2025, cuando estaba previsto el desmantelamiento de la única central eléctrica de carbón de Irlanda (situada en Moneypoint). Sin embargo, debido a la actual crisis energética, su funcionamiento continuará como reserva hasta 2029. La central, que genera hasta 915 MW, funciona desde 1987 y tiene varios millones de toneladas de cenizas volantes depositadas en un campo de 25 acres.
La mezcla de cemento Portland con materiales cementantes suplementarios (MCA) adecuados, como las cenizas volantes, ofrece una importante oportunidad para reducir las emisiones de CO2 por tonelada de cemento producida.
Las normas actuales sobre cemento reconocen dos tipos de mezclas de cenizas volantes silíceas. El primer tipo, clasificado como mezcla enriquecida con calcio (CEM II/A-V), permite sustituir al cemento hasta en un 20 %. El segundo tipo, CEM II/B-V, permite hasta un 35% de sustitución. La utilización de esta última mezcla podría reducir hasta un 2 % las emisiones totales de carbono de Irlanda y reutilizar hasta 750.000 toneladas anuales de cenizas volantes Moneypoint.
Así pues, los investigadores estudiaron las características y el comportamiento de hidratación de las cenizas de Moneypoint entre 1985 y 1995 como sustituto adecuado del cemento en el hormigón.
Métodos
Se recogieron cuatro muestras de ceniza (cada una de 5 kg) (a una profundidad de 1 metro desde la superficie) de cada una de las tres secciones, reflejando depósitos de ceniza de diferentes fases operativas dentro del campo de cenizas. Posteriormente, se realizaron diferentes experimentos utilizando cemento CEM I adquirido comercialmente con y sin cenizas volantes a diferentes niveles de sustitución (0 %, 10 %, 25 % y 35 %).
Se utilizó microscopía electrónica de barrido (SEM) para examinar la distribución granulométrica y la morfología superficial de las cenizas tomadas del emplazamiento. Además, las composiciones químicas de las muestras se identificaron mediante fluorescencia de rayos X (XRF), mientras que la difracción de rayos X (XRD) se utilizó para determinar el cambio en la composición mineralógica a lo largo del tiempo con la hidratación.
El contenido de humedad de las cenizas volantes se determinó mediante mediciones de peso antes y después de secar cada una de las 12 muestras en un horno a 105 °C durante 24 horas. Además, se evaluó la resistencia a la compresión de las muestras de hormigón utilizando cubos de 100 mm para evaluar el comportamiento de las cenizas en el hormigón.
Los cálculos termodinámicos se realizaron utilizando el software geoquímico PHREEQC (programa de equilibrio redox del pH escrito en C). A continuación, se utilizó la base de datos termodinámica cemdata18 para modelizar los productos de hidratación previstos, la química de la solución de poros y el pH a lo largo del tiempo. La fase amorfa/vidrio de la ceniza se modeló utilizando ecuaciones de fase. Estas fases se añadieron a PHREEQC para obtener una representación precisa del comportamiento de las fases amorfas en lugar de añadir concentraciones molares de los óxidos presentes en el vidrio.
Resultados y discusión
El análisis XRD reveló una composición mineral única de las cenizas volantes con características prometedoras para mejorar la resistencia y durabilidad del hormigón. La sílice reactiva y la alúmina presentes en las cenizas son las principales responsables de su reactividad. Además, el contenido de vidrio/amorfo se calculó en un 81 % mediante un análisis de Rietveld.
El contenido medio de humedad se situó en torno al 11,5%, lo que constituyó una consideración importante durante la producción del hormigón para alcanzar las resistencias de diseño. Además, la resistencia a la compresión de todas las muestras que contenían cenizas volantes alcanzó un nivel similar a los 56 días. Sin embargo, la muestra del 35 % tardó más en alcanzar resistencias similares a las del CEM I y los otros niveles de sustitución de cenizas volantes.
Otro hallazgo clave con el cemento mezclado con cenizas volantes es la reducción de la portlandita, indicada por una menor relación Ca:Si, como resultado de la actividad puzolánica a lo largo del tiempo. Es probable que esta alteración reduzca la formación de etringita al tiempo que aumenta la fase AFm (óxido de alúmina férrica monosustituida) en comparación con el cemento CEM I tradicional al 100 %. Estos cambios pueden dar lugar a una reducción del volumen total de cemento y a una resistencia potencialmente menor. En consecuencia, las normas sobre cemento limitan el contenido de cenizas volantes a un máximo del 35 %.
La modelización termodinámica ha desempeñado un papel crucial en la predicción de los cambios en el ensamblaje de fases sólidas a lo largo del tiempo para el cemento mezclado con cenizas volantes. El modelo predijo con éxito la formación de una fase estable de etringita junto con el monocarbonato, en consonancia con las observaciones experimentales. En particular, el volumen de monocarbonato aumentó a medida que aumentaba el contenido de cenizas volantes, lo que se atribuyó a la liberación y posterior precipitación de calcio y aluminatos adicionales en la solución.
Además, el modelo reveló una reducción significativa de la portlandita, que se produce al reaccionar con silicatos y alúmina para formar hidratos adicionales de calcio-aluminio-silicato (C-A-S-H). Esta reducción fue tan pronunciada que la portlandita se agotó completamente antes de 1000 días en mezclas que contenían más de un 10 % de cenizas volantes, lo que indica la alta reactividad de la fuente de cenizas utilizada en el estudio. Este hallazgo fue corroborado por los datos de DRX, que mostraron una disminución consistente en la intensidad de los picos de portlandita con el tiempo en todos los niveles de sustitución de cenizas volantes.
Conclusión
La ceniza estudiada ha sido confirmada como Clase F según las normas de la American Society for Testing and Materials y también cumple las normas europeas, lo que la hace adecuada para su uso como ceniza volante en el hormigón estructural. Sus propiedades puzolánicas reactivas contribuyen al ensamblaje de la fase sólida en el hormigón, mejorando su integridad estructural más allá de actuar meramente como relleno de poros.
El enfoque combinado de experimentación y modelización termodinámica empleado en esta investigación puede aplicarse para representar la fase vítrea en la mayoría de los materiales cementantes suplementarios (MEC), predecir su comportamiento de hidratación a lo largo del tiempo y determinar los niveles óptimos de sustitución. Los investigadores pretenden seguir investigando si las cenizas de Moneypoint de periodos posteriores (1995-2005 y 2005 hasta la actualidad) también pueden considerarse un MCA eficaz en el hormigón.
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