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Tecnología y Construcción

versión impresa ISSN 0798-9601

Tecnología y Construcción v.21 n.3 Caracas sep. 2005

 

Evaluación de la hoja del maíz como posible fuente de material puzolánico

Idalberto Águila Arboláez1 / Milena Sosa Griffin2

 

1 Ingeniero Civil (ISPJAE, Cuba, 1984). Profesor Agregado del IDEC desde 1997. Profesor Asistente, Facultad de Construcciones, Universidad Central de Las Villas, Cuba (1984-1994). Profesor del Postgrado en D e s a r rollo Tecnológico de la Construcción (IDEC) desde 1999. Coordinador docente del IDEC. Investigador en el área de Materiales y Tecnología de la Construcción. Magister Scientiarum en Desarrollo Tecnológico de la Construcción, Mención Honorífica (IDEC-FAU- UCV, 2000). Candidato a Doctor en Ciencias en la FAU- UCV iaguila@idec.arq.ucv.ve

2 Arquitecto (UCV, 1979). Diploma de Estudios Profundos en Ciencias y Técnicas de la Edificación (École Nationale des Ponts et Chaussées, París 1984). Doctor en Ciencias y Técnicas de la Edificación (Université Pierre e Marie Curie, París 1988). Profesor-Investigador del IDEC-FAU-UCV. Ex coordinadora del área de Desarrollo Experimental del IDEC-UCV. Investigadora acreditada en el Programa de Estímulo al Investigador (PEI) de la UCV. Investigador Nivel I del PPI. milenasosa@idec.arq.ucv.ve

 

RESUMEN

Se realiza en este artículo una caracterización de la ceniza de hoja de maíz con miras a su utilización, como material puzolánico, en sustitución parcial del cemento Pórtland a emplear en las obras, para la elaboración de morteros y concretos. Se evalúan las características físicas y químicas del material, así como algunas de sus propiedades principales, desde el punto de vista constructivo, entre las que destacan la resistencia a compresión y la durabilidad, concluyéndose que el material en estudio posee potencialidades de ser empleado con estos fines.

 

INTRODUCCIÓN

El uso de materiales con propiedades puzolánicas data, por lo menos, de hace 2.000 años, cuando los romanos utilizaron cenizas volcánicas en la construcción de muchas de sus principales obras, como el Panteón, el Coliseo, numerosos acueductos, etc. Sin embargo, es sólo desde hace algunas décadas y luego de muchos siglos de olvido, cuando se ha generalizado el empleo de esta característica de algunos materiales para su uso práctico en la construcción.

Reconociendo como Puzolana cualquier material silíceo o alumino-silíceo que es capaz de reaccionar con cal en presencia de agua para generar un producto con características cementantes, se puede encontrar en la naturaleza una importante gama de materiales rocosos que pueden ser calificados como puzolanas. Así se pueden contar algunas rocas de origen volcánico, como la piedra pómez, las tobas y las cenizas volcánicas, entre otras. También algunas rocas de origen sedimentario como la calcedonia, el ópalo y algunas arcillas.

Inicialmente fueron utilizadas puzolanas de origen natural en la producción industrial de cementos Portland puzolánicos, pero más recientemente se han hecho numerosas investigaciones tendientes a utilizar algunos materiales artificiales, comúnmente desechos de producciones industriales y agrícolas, para la obtención de materiales puzolánicos con posibilidades de utilización en la construcción.

Entre los residuos industriales más empleados con este fin están las cenizas volantes de la siderúrgica, los escorias de alto horno y la micro sílice, en tanto que las cenizas de desechos agrícolas como la cascarilla de arroz y la hoja y el bagazo de caña destacan como fuentes comprobadas de material puzolánico.

En trabajos anteriores (Águila, 2001) se investigó la factibilidad técnica del uso de la cascarilla de arroz para producir material puzolánico con resultados muy positivos. En este caso se trata de determinar las potencialidades de la hoja del maíz con este mismo fin, aunque se reconoce de partida que la cantidad de sílice en la ceniza de esta última es muy inferior a la anterior.

La hoja del maíz, si bien no ha sido investigada hasta la fecha, sí se conoce que tiene un porcentaje alto de sílice en su ceniza (cuadro 1), lo cual la hace un potencial candidato a ser investigado.

Aunque estos valores no se pueden generalizar, pues corresponden a una investigación con materiales específicos de un lugar y que pueden variar para otras zonas, sí reflejan que la ceniza de hoja de maíz posee un contenido de sílice superior a 60%. Y es precisamente esta razón lo que motiva a acometer un trabajo como éste, con el cual se pretende demostrar que la producción de cemento puzolánico es una alternativa real de utilización de un desecho de la producción del maíz, como es su hoja.

Si bien la hoja del maíz no siempre se desecha, porque es común que se utilice en otras funciones como la alimentación animal, no es menos cierto que importantes cantidades de hoja se pierden cada año en los campos y que un programa bien dirigido en este sentido puede permitir recuperar parte de este material y utilizarlo en la producción de un generoso sustituto de cemento, con su consiguiente aporte económico y ecológico.

 

 

Disponibilidad de materia prima en Venezuela

El cuadro 2 muestra el volumen de producción de los principales renglones agrícolas de Venezuela entre los años 1998 y 2001. En él se aprecia que el maíz ocupa uno de los primeros lugares durante esos años y que su tendencia es al aumento. Esto refleja las posibilidades como fuentes importante de materia prima.

De igual manera el cuadro 3 muestra que existe una importante producción de maíz en casi todos los estados del país, siendo los principales Portuguesa y Guárico.

 

 

Procesamiento del material

El proceso de producción del material consta de dos actividades principales: la combustión de la hoja de maíz hasta hacerla ceniza y la molienda de dicha ceniza

La combustión de la hoja de maíz se hizo por tandas, en un ambiente semicerrado en la planta experimental de El Laurel, a partir de la propia quema de la hoja en estado seco y duró aproximadamente 40 minutos por tanda.

La molienda de la ceniza se realizó con un Molino de bolas en los laboratorios de la Escuela de Metalurgia de la Facultad de Ingeniería de la UCV. La capacidad del molino es de 5 kg, gira a una velocidad de 60 r.p.m. y se empleó una pro porción de material a carga moledora de 1 a 6. El tiempo de molienda fue de una hora, establecido a partir de una investigación previa realizada por el autor para determinar el tiempo necesario de molienda para obtener una finura similar a la del cemento Portland en el caso de la ceniza de cascarilla de arroz (Águila, 2001).

 

Caracterización de los materiales

Materiales utilizados

En la elaboración de las probetas se utilizó: cemento, arena, agua y ceniza de hoja de maíz, con las siguientes características.

    Arena

Se utiliza arena estándar de Ottawa. Dado que esta arena es en 99,5 % cuarzo, es homogénea con relación a la arena comercial y así se limitan factores externos que pudieran influir al reaccionar con el material cementante. Los resultados de la caracterización del agregado se indican en el cuadro 4 y cumplen con la norma ASTM.

    Cemento

Cemento Portland tipo I según norma COVENIN 28 (ASTM C 150). El resumen de su caracterización físico- química se encuentra en el cuadro 5.

    Ceniza de hoja de maíz

Se utilizaron hojas de maíz provenientes de plantaciones ubicadas en los Valles de Tuy, en el estado Miranda. Los resultados de su caracterización se resumen en el cuadro 5.

    Ensayos de caracterización

a) Análisis químico

Se utiliza un equipo de absorción Atómica Perkin Elmer 2380 para determinar el contenido de cada elemento en una muestra de material. Los análisis químicos de la ceniza y el cemento utilizados para los morteros se resumen en el cuadro 5.

b) Densidad

Se sigue el método ASTM C188. Se utiliza un recipiente estándar de Le Chatelier. Los resultados se resumen en el cuadro 5.

c) Superficie específica

Se determina la finura de los materiales cementantes (cemento y ceniza) utilizando un Permeabilímetro Blaine (ASTM C204), en términos de su superficie específica, expresada como unidad de superficie por unidad de masa. Los resultados se resumen en el cuadro 5.

d) Distribución de tamaño de partículas

La distribución del tamaño de partículas del agregado se determina por tamizado (ASTM C136).

 

Del análisis físico se desprenden varios comentarios: en primer lugar, que la ceniza de hoja de maíz pesa menos que el cemento, su gravedad específica no llega a las dos terceras partes de la del cemento. En la mayoría de los casos esto es una ventaja pues se lograrían concretos más livianos. En segundo término, tanto la superficie específica como el porcentaje que pasa el tamiz 325, nos dan un índice de la finura del material. En ambos casos se aprecia que con 1 hora de molienda se obtiene una finura mayor que la del cemento Portland. Esta finura es importante a la hora de medir la reactividad del material.

Del análisis químico realizado el elemento más importante es el porcentaje de sílice en la ceniza, pues es éste el que le otorga la capacidad puzolánica a la ceniza. Se presenta 47,62% de sílice, un nivel por debajo de lo esperado según las referencias encontradas, sin embargo, no deja de ser un valor considerable. Se aprecian porcentajes relativamente altos de humedad (4,53%) y pérdida al fuego (17,67%). Estos valores podrían reducirse si se perfeccionan los procesos de producción del material, con lo cual se incrementaría apreciablemente el porcentaje de sílice.

Como elemento negativo se aprecia un porcentaje relativamente alto de álcalis, lo cual puede convertirse en un problema cuando se utilicen agregados que tengan capacidad de reacción con ellos. Si bien el Na2O se mantiene en valores bajos, el K2O se presenta en un 9,51%, un nivel considerable, sobre todo si se compara con el del cemento.

 

    Diseño de mezcla

Para el diseño de la mezcla se utilizó el método propuesto por Porrero, Ramos y Grases, obteniendo las proporciones en que deben combinarse el cemento, el agua y los agregados para un concreto de Resistencia Característica de 250 Kg/cm2.

Se definió trabajar con 6 mezclas diferentes, modificando progresivamente las cantidades de cemento y ceniza empleadas. Se partió de una muestra patrón donde el 100% del ligante utilizado fuese cemento Portland, siendo 0% la cantidad de ceniza. A partir de ahí se fue disminuyendo la cantidad de cemento, sustituyéndolo por cantidades iguales, en peso, de ceniza. Los porcentajes de sustitución se reflejan en el cuado 6 donde además se indican las proporciones utilizadas para las diferentes mezclas de morteros.

    Pruebas realizadas a los morteros

A cada una de las mezclas de mortero descritas se le realizaron las siguientes pruebas físicas.

a) Determinación de la consistencia.

Según el método ASTM C230, la cantidad de agua necesaria para cada mortero se determina por medio del flujo, el cual en general se encuentra entre 100% y 110%, para obtener así una pasta con una consistencia adecuada. En el presente estudio se utilizó la relación agua/ligante (cemento más ceniza) con un valor constante de 0,50 y se determinó el valor del flujo de cada mezcla. En el cuadro 6, así como en el gráfico 1 se refleja cómo el flujo disminuye en la medida en que se sustituye más cemento por ceniza, lo cual significa que, para lograr una consistencia adecuada, se requiere mayor cantidad de agua en la mezcla cuando se emplea ceniza en sustitución de cemento. Esto es una desventaja de este material debido a que un incremento en la cantidad de agua redundaría en una reducción de la resistencia a la compresión. Si los valores de sustitución fuesen grandes debería evaluarse la posibilidad de utilizar aditivos plastificantes para mantener baja la relación agua cemento.

 

 

b) Resistencia a la compresión

Siguiendo la norma ASTM C109, para cada mezcla de mortero se elaboraron 3 probetas cúbicas de 5,08 cm de lado, con la finalidad de obtener un promedio representativo. El curado se realizó por inmersión en agua. Se utilizó una Máquina Universal Baldwin a velocidad constante de aplicación de carga y con la escala de 5.000 Kg. El resumen de los resultados se refleja en el cuadro 7 y en el gráfico 2, apreciándose cómo la resistencia a compresión a los 28 días se mantiene cercana a la del patrón, hasta un 20% de sustitución, experimentando disminuciones posteriores, proporcionales al porcentaje de sustitución.

 

 

c) Expansión de morteros.

Se sigue el método de determinación de la expansión en morteros por medio de barras: COVENIN, ASTM C157, ASTM C227 y ASTM C441.

Se determina la susceptibilidad de la combinación cemento-agregados a reacciones expansivas debido a los iones hidroxilos asociados a los álcalis (óxido de sodio y óxido de potasio), por medio del cambio dimensional que sufren barras de mortero preparadas con los materiales en estudio.

Se preparan 2 barras de 285 mm de largo y una sección cuadrada de 25 mm de lado para cada mezcla. Las barras son colocadas en cámara húmeda a 21ºC y las medidas de expansión se realizan en función del tiempo de curado, por medio de un comparador ASTM C490. El resumen de los resultados se encuentra en el gráfico 3.

 

 

El gráfico 3 muestra la expansión de los morteros preparados con ceniza de hoja de maíz en función del tiempo. Se constata que en las condiciones de curado (inmersión en agua), el cambio dimensional fue relativamente pequeño, por debajo de 0,003%, con valores no muy diferentes para las distintas combinaciones, no pudiendo establecerse una relación clara entre el contenido de ceniza y la expansión del mortero. En espera de un estudio más específico de este comportamiento se podría intuir que no existe un efecto importante del contenido de álcalis en ceniza.

 

d) Ensayo de durabilidad

Se sigue el método ASTM C452, con la finalidad de estudiar el comportamiento de los materiales cementantes y sus reacciones posibles tanto con los agregados como con agentes agresivos externos, lo cual da un índice de su estabilidad química y su durabilidad. Se preparan probetas de cada mortero y son sumergidas en una solución saturada de sulfato de sodio. La posible expansión es medida por medio de un comparador ASTM C490 en función del tiempo de exposición. Los resultados se encuentran en el gráfico 4 e indican que para adiciones de hasta el 20% no se aprecian efectos negativos, manteniéndose la expansión por debajo de 0,003%. Para adiciones de 30% de ceniza se experimenta una expansión algo superior pero igualmente pequeña.

 

e) Índice de actividad puzolánica

El término “puzolana” se ha extendido a todo material silíceo o sílico-aluminoso que por sí solo poseen baja o nulas propiedades cementantes, pero en presencia de humedad y cal pueden reaccionar químicamente y formar compuestos que sí tienen interesantes propiedades cementantes e hidráulicas. Por ello utilizamos un índice de actividad puzolánica definido como la relación de resistencias a la compresión de un mortero con adición de material puzolánico y la de un mortero a base de cemento Portland. En general se especifica que dicho índice no debe ser inferior a 0,75 lo que quiere decir que el material puzolánico debe de tener al menos el 75% de la resistencia del patrón.

Se calculan los “índices de actividad puzolánica- IAP” a los 7 y 28 días. En el cuadro 8 se resumen los resultados. El IAP se mantiene muy alto hasta 20% de sustitución y aunque comienza a descender para porcentajes mayores, se mantiene por encima de 0,75.

 

f) Densidad del mortero.

En el gráfico 5 se muestra cómo la densidad del mortero va disminuyendo en la medida en que se aumenta el contenido de ceniza, lo cual es consecuencia de su menor densidad respecto al cemento Portland.

 

 

 

Conclusiones

De la investigación realizada se desprende que, en efecto, estamos en presencia de un material con la potencialidad de ser usado como sustituto parcial del cemento en las obras, al menos, en proporciones que no superen el 20%. Para estos valores vemos que se pueden lograr morteros de propiedades similares al cemento puro. La resistencia a compresión y la estabilidad química se comportan muy bien, en tanto que se logran morteros más ligeros, lo cual comúnmente es deseable. En contraposición se experimenta una disminución en el flujo de la mezcla, lo cual puede provocar una demanda mayor de agua para su elaboración con los inconvenientes que esto traería.

En la caracterización del material se aprecia un importante contenido de sílice (47,6%) en la ceniza, el cual podría incrementarse si se estudia y desarrolla un proceso más riguroso de obtención del material. Se presentó un 4,5% de humedad y un alto 17,7% de pérdidas por fuego. Ambos elementos se podrían reducir y, por consiguiente, obtener un material más puro, si se estudia mejor el proceso de producción. Es recomendable entonces formular una investigación futura que haga énfasis en este aspecto.

 

 

Listado de normas y métodos utilizados

ASTM Manual of Aggregates and Concrete Testing.

ASTM C109 Test method for compressive strength of hydraulic cement mortars (Using 50 mm cube specimens).

ASTM C136 Sieve analysis of fine aggregate

ASTM C150 Specifications for Portland cement.

ASTM C157 Test Method for length change of hardened cement mortar and concrete.

ASTM C188 Density oh hydraulic cement

ASTM C192 Method of making and curing concrete test specimens in laboratory.

ASTM C204 Fineness of Portland cement by air permeability apparatus

ASTM C227 Test method for potential alkali reactivity of cement aggregate combinations (Mortar bar method).

ASTM C230 Specification for Flow table for use in tests of hydraulic cement.

ASTM C305 Method for mechanical mixing of hydraulic cement pastes and mortars of plastic consistency.

ASTM C311 Sampling and testing fly ash or natural pozzolans for use as a mineral admixture in Portland cement concrete.

ASTM C430 Fineness of hydraulic cement by the 45 μm (N°325) sieve.

ASTM C441 Test method for effectiveness of mineral admixtures in preventing excessive expansion of concrete due to alkali aggregate reaction.

ASTM C452 Test method for potential expansion of Portland cement mortars exposed to sulfate.

ASTM C490 Apparatus for use in measurement of length change of hardened paste, mortar and concrete.

ASTM C778 Specification for standard sand.

 

 

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