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Utilizaci�n de ceniza volc�nica en la fabricaci�n� de materiales de construcci�n

 

Use of volcanic ash in the manufacture of construction materials

 

Uso de cinzas vulc�nicas na fabrica��o de materiais de constru��o

		Santiago Nathanael Toapanta-Santacruz I santiago.toapanta@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-4378-3821

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: santiago.toapanta@espoch.edu.ec ���������

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Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culos de investigaci�n

 

*Recibido: 20 de agosto de 2021 *Aceptado: 15 de septiembre de 2021 * Publicado: 01 de octubre de 2021

 

        I.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo Sede Morona Santiago. Grupo de investigaci�n GIRM.

     II.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo Sede Morona Santiago. Ingenier�a Ambiental

   III.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo Sede Morona Santiago. Ingenier�a 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 m�s que part�culas menores a 2mm que son expulsados en grandes cantidades junto con el material pirocl�stico desde los volcanes en momentos de erupci�n, este es un fen�meno muy com�n en m�s de 400 volcanes que conforman el cintur�n de fuego. Sin duda alguna, la ceniza es un contaminante considerado agresivo que no solamente afecta al aire sino tambi�n al suelo y agua, raz�n principal raz�n para que los� expertos busquen una alternativa donde se pueda usar estas cenizas volc�nicas para fabricar materiales en el �rea de construcci�n .Para ello se realiz� una investigaci�n bibliogr�fica que detalla considerablemente la importancia del uso de la ceniza volc�nica como un agregado en la producci�n de los materiales de construcci�n 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� m�s utilizado por su alta eficiencia en construcciones civiles e industriales.

Palabras clave: Volc�n; ceniza; materiales de construcci�n; 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 for�a natural que faz com que os vulc�es emitam cinzas devido �s erup��es, as cinzas nada mais s�o do que part�culas menores que 2mm que s�o expelidas em grandes quantidades junto com material pirocl�stico de vulc�es em momentos de erup��o. Isso � muito comum fen�meno em mais de 400 vulc�es que comp�em o cintur�o de inc�ndio. Sem d�vida, a cinza � considerada um poluente agressivo que afeta n�o s� o ar, mas tamb�m o solo e a �gua, raz�o pela qual os especialistas procuram uma alternativa onde essas cinzas vulc�nicas possam ser utilizadas para a fabrica��o de materiais na �rea de constru��o. Foi realizada uma pesquisa bibliogr�fica que detalha consideravelmente a import�ncia do uso da cinza vulc�nica como agregado na produ��o de materiais de constru��o 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 efici�ncia na constru��o civil e industrial.

Palavras-chave: Volcano; cinza; materiais de constru��o; desperd�cio; resist�ncia.

 

Introducci�n

El presente art�culo de revisi�n hace referencia a la utilizaci�n de la ceniza volc�nica, dentro del �rea de la construcci�n. Se puede definir a la ceniza como una composici�n de part�culas de roca y minerales menores a 2 mm de di�metro, resultantes de un periodo de actividad volc�nica. Por su composici�n la ceniza var�a de acuerdo al tipo de volc�n.

La peculiaridad principal de este tipo de material es que se encuentra dentro de uno de los contaminantes ambientales m�s 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 volc�nico, como material utilizado en la fabricaci�n de productos para la construcci�n.

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 desintegraci�n de piedra caliza la cual provoca descomunales cantidades de di�xido de carbono hacia la atm�sfera, los cuales van en crecimiento en un �ndice de 6 al 7% de emisiones en todo el mundo.

 

Para examinar esta problem�tica y encontrar una forma de reutilizar este material es necesario conocer algunas muestras, por ejemplo Am�rica Latina es la cuna de una decena de volcanes activos con� actividad constante y otros potencialmente peligrosos y destructivos, como es el caso del volc�n de Fuego ubicado en Guatemala.

Del mismo modo Ecuador est� constituido por 55 volcanes de los cuales 8 son considerados como los m�s activos entre ellos el Cotopaxi, debido a sus potentes erupciones, es m�s,� Las islas Gal�pagos (territorio Ecuatoriano) tambi�n cuenta con ocho volcanes que mantienen una actividad regular y todos ellos son controlados por el instituto geof�sico de la Escuela Polit�cnica Nacional (IGEPN).

Para elaborar los materiales de construcci�n por lo general se designa por materias primas de muy bajo costo y disponibilidad con el objetivo de ser duraderos. Uno de los cementos m�s utilizados actualmente es el cemento Portland, un material artificial� hidr�ulico responsable del 8% de emisiones de di�xido de carbono en todo el mundo.�

Por esa raz�n, estudios buscan reemplazar el cemento Portland por la ceniza volc�nica la misma que se encuentra disponible en la naturaleza gracias a la cantidad de volcanes ubicados en el cintur�n de fuego del pac�fico.

�(Am�rica Digital, 2020)

Origen e historia

Su historia proviene de la poblaci�n de Puzzuoli, localizado en la Ciudad metropolitana de N�poles en Italia.

Su crecimiento fue dando vida a todo aquel material o producto que conten�an caracter�sticas 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 sil�ceo 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 disoluci�n donde demuestran propiedades aglomerantes. (Instituto Geof�sico, 2021).

Durante el a�o 1940 los Estados Unidos de norte am�rica comenz� a estudiar a los volcanes, exactamente el estudio fue a los materiales puzol�nicos, despu�s de estos estudios se intent� mezclar la ceniza volc�nica en las empresas de cementos. En cierta medida estos an�lisis brindan oportunidades a las industrias que proveen materiales de construcci�n, 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 fabricaci�n artesanal no se� requiere del uso de hornos que alcanzan los mil 500 grados cent�grados (Qui�ones, 1993)

Estudio� cinvestav

Un Grupo de cient�ficos del centro de investigaci�n y de estudios avanzados, estudian las cenizas volc�nicas para la fabricaci�n del cemento ecol�gico. 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� Iv�n Escalante Garc�a, enfatiz� los beneficios de bajo impacto ambiental, sobre las matrices de concretos brindando alternativas detalladas, como el producto m�s distribuido en todo el mundo detr�s 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 adquisici�n, composici�n qu�mica y car�cter amorfo que presenta su estructura at�mica. Seg�n Escalante Garc�a, alrededor de 7 de cada 13 cementos sustentables desarrollados en su centro de investigaci�n no� los elabora ning�n otro laboratorio, por lo que �Cinvestav� unidad saltillo es el primero con el uso de los materiales reciclados para la sustentaci�n de nuevos cementos� para la utilizaci�n en construcci�n y otras industrias. De tal manera que sus investigaciones no se detienen a nivel mundial.

La metodolog�a con la que se proyecta� este tipo de cemento es: �La introducci�n dentro de un molino, a su vez se adicionan� agentes activantes� alcalinos y sulfaticos �tiles en el comercio, donde se produce una aceleraci�n qu�mica en combinaci�n con el agua, generando un aglomerante y dando como resultado la creaci�n de compuestos qu�mico de cementos, tambi�n muestran excelentes virtudes ingenieriles.

Las elaboraciones de nuevos cementos poseen hasta 80% de material volc�nico en su producto, por lo cual no necesitan implementar hornos con altos grados durante su elaboraci�n. (Garc�a, 2019)

Este m�todo sigue vigente hasta la actualidad y el cemento portland puzolanico es el m�s manipulado en las grandes construcciones de obras de ingenier�a, esto debido a su larga durabilidad para las cuales fueron creadas.

Con este estudio se concreta al cemento portland puzolanico como el resultado obtenido despu�s de a�adirle al cemento com�n 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 volc�nicas no solo es m�s econ�mico en t�rminos de producci�n, tambi�n 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 volc�nica

En s� las cenizas volc�nicas var�an en propiedades, ya que depende del tipo de Volc�n y su origen. Bien se sabe que en Ecuador existen yacimientos de puzolana natural es decir las que son provenientes de erupciones volc�nicas. Es m�s, en la actualidad, se tiene en planes la recolecci�n de la ceniza volc�nica del Tungurahua en Ecuador, ya que presenta propiedades id�neas para ser tomada en consideraci�n y pueda ser manipulada en alguna obra de construcci�n y brinde una ventaja econ�mica y ambiental a las adversidades. (Suarez Avila & Urgiles Cabrera, 2010)

Composici�n

Las puzolanas o cenizas son incorporadas dentro del cemento donde tienen la capacidad de formar productos de hidrataci�n a trav�s de una reacci�n qu�mica secundaria donde pr�cticamente se combina con el Ca(OH)2 formado durante la hidrataci�n de los compuestos s�lico-calc�reos (C3S y C2S) denominada primaria, resultando compuestos SCH (s�lico-calc�reos hidratados)

Tabla 1. Composici�n de las cenizas de erupciones, en porcentaje.

Seg�n la comparativa de la tabla 1, donde se observa la composici�n mineral�gica de las cenizas entre dos volcanes podemos distinguir que el S�lice (SiO2) es el material que m�s predomina en las cenizas volc�nicas en una erupci�n. (Gomez, 2011)

Reacci�n:

a)      Hidrataci�n primaria: CnS + H2O → gel SCH + (OH)2Ca

b)      Hidrataci�n 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 hidrataci�n primaria.� Durante la hidrataci�n de las puzolanas no hay producci�n de (OH)2Ca. Por lo tanto, se puede considerar positivo, ya que a medida que avanza el proceso de hidrataci�n la cal libre disminuye, indicando la formaci�n de productos de hidrataci�n.

La ceniza adem�s de sostener una baja cantidad de cal libre en la pasta de cemento, tambi�n obtiene un mayor porcentaje de volumen en productos SCH, para lo cual su relaci�n 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, & G�mez, 2017)

Las adiciones minerales m�s producidos son:

�         cenizas volantes,

�         escorias granuladas,

�         micro s�lice y otras puzolanas naturales o calcinadas.

La naturaleza de los productos formados durante la reacci�n puzol�nica en los cementos mezclados depende de las propiedades de las puzolanas y del clinker utilizado para confeccionar el hormig�n.

Los principales productos de reacci�n son:

�         Silicato c�lcico hidratado (CSH).

�         Algunas cantidades de estringita.

�         Aluminatos hidratados.

El equilibrio de los productos de reacci�n depende de las caracter�sticas qu�micas y mineralog�a de las cenizas a usar.

Hoy en d�a existen variedad de productos en los que se usan las cenizas, donde predomina la producci�n de cemento P�rtland puzol�nico, el cual brinda un infinidad de ventajas.

�Esta ventaja es porque los aluminosilicatos que est�n en la ceniza, reaccionan con el Hidr�xido de Calcio que expulsa en la hidrataci�n del cemento P�rtland. Esta reacci�n lenta hace que disminuya el calor, mejorando su resistencia cuando est� en ambientes �cidos, lo cual tambi�n hace que se rellenen los espacios resultantes de la reacci�n de hidrataci�n del cemento, aumentando as� la impermeabilidad y la resistencia mec�nica. (Romero & V�zquez, 2010)

La reacci�n qu�mica del fraguado

Esta reacci�n 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 mec�nicas del cemento.

El� equipo de investigadores de Argentina, menciona que con las cenizas volc�nicas se puede construir material de construcci�n que permitir� crear estructuras resistentes y eficientes, raz�n por la que se est�n realizando pruebas para reemplazar el cemento por ceniza volc�nica. (Aguilar, 2018)

Desventajas

A pesar de que el cemento puzol�nico tiene buenas caracter�sticas, tambi�n tiene sus desventajas dentro de las que se pueden encontrar:

�         Requerimiento de mayor cantidad de agua para el� mezclado.

�         Menor resistencia a la compresi�n en edades cortas, a partir de los 28 d�as de fraguado.

�         Requiere mayor cuidado a la hora del curado, ya que al hidratarse el cemento se forma el silicato tric�lcico 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 corrosi�n del acero.(Qui�ones, 1993)

Cemento Portland

Polvo de color gris/verdoso, de gran valor como material estructural, alcanza la dureza p�trea despu�s de ser amasado con agua, considerado un aglomerante hidr�ulico por excelencia (Hermoza, 2019).

Durante el proceso de fraguado del cemento portland puzol�nico, se deben considerar las propiedades de los fragmentos en estado fresco y en estado endurecido.

Propiedades en estado fresco

Propiedades tales como forma, tama�o y distribuci�n; dependen de las caracter�sticas de los materiales y de las proporciones usadas, destac�ndose la influencia de los agregados que suelen ocupar m�s del 70% del volumen del hormig�n. Seg�n varios experimentos realizados, las caracter�sticas del cemento portland puzol�nico influyen en el comportamiento del hormig�n, debido a que posee caracter�sticas m�s finas que el cemento portland ordinario, por esta raz�n se requiere mayor demanda de agua para el hormig�n.

Para que sea aprovechada la alta capacidad de retenci�n de agua, los hormigones fabricados con puzolana, deben hacer uso de aditivos plastificantes, lo cual ayuda a disminuir el contenido de cemento en lo m�ximo. (Hermoza , 2019).

Ilustraci�n 1. Ladrillos hechos a base de cenizas volc�nicas.

Fuente:UNRN

 

Profesores investigadores de la Universidad Nacional de R�o Negro, Argentina, dise�aron y fabricaron un bloque tipo T como se muestra en la ilustraci�n 1, cuyo fin es de adaptarlos a construcciones de viviendas, utilizando material residual volc�nico, como la ceniza, provenientes del volc�n Puyehue.

Caracter�sticas��

�         Gran durabilidad

�         Baja permeabilidad

�         Bajo grado de calor de hidrataci�n

�         Alta resistencia final

Materiales contaminantes

Existen muchos materiales y los m�s comunes son los finos indeseables: limo y arcilla, materia org�nica, carb�n, lignito, part�culas ligeras, terrones de arcilla y otras part�culas.

El papel que juega las cenizas para obtener una interface de calidad.

�         Producir retraso en el proceso de fraguado haciendo reacciones m�s lentas y de menor intensidad.

�         Mejor docilidad en el cemento con menos requerimiento de agua

�         Reducci�n de costos en la producci�n de cementos

�         Reducci�n de calor de hidrataci�n

�         M�s resistencia a la acci�n de los sulfatos y de los hidr�xidos de calcio.

La desventaja es en la resistencia final, mayor contracci�n al secarse y menor durabilidad.

La investigaci�n fue descriptiva, de car�cter no experimental,� de tipo comparativo, el cual investiga un problema para posteriormente describir� a trav�s de c�mo son y c�mo se manifiestan los problemas en la contaminaci�n del medio ambiente, adem�s tiene un dise�o� 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 validaci�n de antecedentes se logr� determinar los materiales que se emplean actualmente en la construcci�n con agregados de ceniza volc�nica.

El alcance del proyecto es sistematizar los procesos que actualmente mantiene la actividad de la construcci�n con el uso de la ceniza volc�nica y lo que conlleva a no destruir el ecosistema para lograr un ambiente sustentable.

De igual forma se� detalla la t�cnica e instrumentos que se utiliz� para la recolecci�n de datos a partir de la informaci�n recaudada de las diferentes fuentes de informaci�n primaria, art�culos cient�ficos e investigaciones, al igual que� res�menes, libros, textos acad�micos, revistas� relacionadas con la investigaci�n 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 informaci�n recolectada a lo largo de esta investigaci�n, en efecto el modelo de metodolog�a ya nombrado cuenta con cuatro etapas las cuales son an�lisis, dise�o, pruebas y documentaci�n.

 

An�lisis 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 reutilizaci�n de la ceniza volc�nica en este caso como material para fabricaci�n de productos de construcci�n.

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 desintegraci�n en particular de piedra caliza causando la existencia de di�xido de carbono, las cuales seg�n investigaciones tiene un �ndice de 6 a 7% en todo el mundo.

 

Discusi�n

La producci�n� y consumo del cemento representa entre el 8% y el 10% del CO2 antropog�nico en el mundo. Dado que la industria de la construcci�n va de la mano con el alto crecimiento poblacional en las zonas urbanas, se dice que la fabricaci�n del cemento generar� un alto� golpe ambiental en los pr�ximos a�os, por lo que se propone una llamada de atenci�n a los organismos vinculados, brindando alternativas inmediatas para una soluci�n eficaz.

Lo anterior nos lleva a pensar que hacen falta m�s investigaciones para usar estas cenizas volc�nicas en otros procesos de construcci�n.

 

Conclusiones

El trabajo de revisi�n se concluye en base a las inferencias prioritarias por parte de las investigadoras donde el resultado es el fruto obtenido del proceso de investigaci�n sobre la ceniza volc�nica en el �rea de la construcci�n.

Por lo tanto:

�         El uso de la ceniza volc�nica como material introducido en la construcci�n es una oportunidad para las industrias dedicadas a esta funci�n, donde pueden fabricar� cementos�� con un alto grado de resistencia,� sustentables con el medio ambiente, reutilizando residuos� naturales.

�         La ceniza volc�nica es uno de los principales contaminantes ambientales� de origen antr�pico, debido a los gases que emiten en la fase de erupci�n.

�         El cemento Portland, es uno de los tipos de cemento m�s utilizados a nivel mundial, debido a su elevada resistencia para obras civiles de mayor� grado de magnitud.

 

Referencias

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� 2021 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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