La evaluación del potencial de las cenizas volantes del bagazo de caña de azúcar, recolectadas de las chimeneas de escape de las calderas a través de una tubería de derivación, como material cementoso suplementario renovable es una alternativa al cemento.
Las cenizas volantes de bagazo se molieron en tres tamaños de partículas diferentes ( D 50 de 10, 20 y 30 μm) y se caracterizaron en términos de morfología, porosidad, área de superficie específica y actividad puzolánica. La influencia de las cenizas sobre la hidratación de la pasta se investigó mediante calorimetría isotérmica. Luego se probaron los morteros con un 20% de sustitución de cemento por cenizas volantes, analizando la densidad de empaquetamiento, la evolución de la resistencia a la compresión y la durabilidad frente al ácido sulfúrico. Los resultados indicaron la idoneidad de las cenizas volantes como material cementante suplementario, con baja contaminación y mayor actividad puzolánica a tamaños de partículas más pequeños. Esto mejoró la hidratación inicial y la resistencia a largo plazo, con cenizas más finas que mostraron propiedades mecánicas superiores en comparación con el mortero de referencia (un aumento del 8%). Los morteros con cenizas volantes exhibieron una mayor densidad de empaquetamiento y una menor pérdida de masa bajo el ataque de ácido sulfúrico, pero una mayor absorción de agua y capilaridad, junto con una menor resistencia a la compresión en comparación con la referencia. Brevemente, los hallazgos resaltaron el potencial de las cenizas volantes de bagazo como un material prometedor, de bajo costo y eco-beneficioso para prácticas de construcción sustentables.
Es imperativo actuar ahora para reducir los impactos ambientales globales combatiendo las emisiones de CO 2 y preservando nuestro planeta para las generaciones futuras. La industria del cemento desempeña un papel fundamental en la necesaria reducción de las emisiones globales, lo que requiere innovación y prácticas más sostenibles para construir un futuro más verde y saludable para nuestro planeta. Por otro lado, los desechos industriales vertidos al suelo plantean una amenaza ambiental importante y pueden provocar la contaminación del suelo, comprometiendo la calidad de las tierras agrícolas, las aguas subterráneas y la salud general del ecosistema ( Mohan et al., 2023 ). Sales y Lima (2010) enfatizaron el impacto negativo de la eliminación inadecuada y el uso de estos residuos como fertilizantes, especialmente en forma de polvo, debido a su bajo potencial de enriquecimiento del suelo.
En este escenario, la ceniza de bagazo de caña de azúcar (SCBA), un residuo abundante que se genera cada año a nivel mundial, es de suma importancia, particularmente en la industria del cemento, ya que su composición rica en sílice lo convierte en un recurso atractivo y valioso. Así, el SCBA es un material puzolánico prometedor, reconocido en varios estudios realizados en las últimas décadas ( Ahmad et al., 2021 ; Minnu et al., 2021 ). Se genera principalmente mediante los métodos convencionales utilizados en la agroindustria azucarera y etanol, que implican almacenar el bagazo de caña al aire libre para su posterior calcinación en calderas.
El bagazo se utiliza para producir electricidad, principalmente mediante combustión directa, mediante la cual la energía química se convierte en calor. Las cenizas resultantes de la combustión del bagazo se pueden clasificar en cenizas de fondo, que se depositan en el fondo de la caldera, o cenizas volantes, que son transportadas por los gases generados durante la quema. La ceniza de fondo, generalmente conocida como ceniza de bagazo de caña de azúcar (SCBA), ha sido ampliamente estudiada en las últimas dos décadas, con diferentes procesos de producción y caracterización que confirman su potencial como material cementante suplementario. La investigación ha demostrado los efectos positivos del SCBA sobre la hidratación ( Cordeiro y Kurtis, 2017 ), las propiedades mecánicas ( Nassar et al., 2022 ) y la durabilidad ( Arif et al., 2016 ) de los sistemas cementosos. A pesar de sus probados beneficios y renovabilidad, la aplicación a gran escala de SCBA como puzolana sigue siendo limitada, en gran parte debido a su composición química variable ( Mali y Nanthagopalan, 2021a ) y la presencia de contaminantes ( Almeida y Cordeiro, 2023 ) como cuarzo y compuestos carbonosos.
Se han utilizado diferentes métodos de pretratamiento para aumentar la reactividad del SCBA, siendo el más común el rectificado mecánico. Esta técnica aumenta la superficie específica del material ( Cordero y Kurtis, 2017 ) y puede reducir la contaminación por cuarzo ( Cordero et al., 2016 ). También se ha adoptado la recalcinación para permitir el uso de SCBA sin comprometer las reacciones de hidratación del cemento Portland ( Andreão et al., 2020 ). Aunque el SCBA es el principal foco de investigación, la nueva posibilidad de recolectar material de las calderas ha atraído recientemente la atención de los investigadores. En este caso, las cenizas volantes de bagazo se separan de los gases de combustión mediante filtros de polvo de mangas, trampas de hollín o sistemas especiales de recolección con tuberías de derivación ( Bahurudeen et al., 2014 ). Debido a sus características de recolección, las cenizas volantes exhiben menos variabilidad en la composición química y la distribución del tamaño de las partículas que las cenizas de fondo, lo que representa una ventaja significativa. De hecho, Barbosa y Cordeiro (2021) descubrieron que las cenizas volantes producidas en laboratorio mediante separación por densidad de cuarzo ( Andreão et al., 2020 ) seguida de calcinación y molienda controladas mostraron un comportamiento similar al de una ceniza de cáscara de arroz altamente reactiva. Una limitación para la aplicación generalizada de este tipo de ceniza de caña es la ausencia de recolección selectiva en los ingenios. Sin embargo, se espera que esto cambie. Aunque muchos ingenios de caña de azúcar dependen actualmente de tecnología de calderas obsoleta, las tendencias indican una modernización inminente.
En este contexto, el presente estudio tuvo como objetivo evaluar el potencial de las cenizas volantes recolectadas directamente de las chimeneas de escape de una caldera. La ceniza se molió en tres tamaños de partículas diferentes y luego se caracterizó. Además, se investigó mediante calorimetría isotérmica el efecto de estas cenizas sobre la hidratación de la pasta de cemento. También se probaron morteros para evaluar sistemáticamente el efecto de reemplazar parcialmente el cemento (20% en masa) con cenizas volantes de bagazo sobre la densidad de empaquetamiento, la resistencia a la compresión en el tiempo y la durabilidad bajo el ataque de ácido sulfúrico.
Conclusiones
Del estudio sobre la producción de cenizas volantes de bagazo finamente molidas y su aplicación en pastas y morteros se extrajeron las siguientes conclusiones:
La composición química de las cenizas volantes de bagazo fue adecuada para su uso como material cementoso suplementario, en gran parte debido a la presencia de 24% de sílice amorfa y baja pérdida por ignición (2,8%). Además, las cenizas mostraron una mayor actividad puzolánica con una disminución del tamaño de las partículas, lo que resultó en una hidratación acelerada en las primeras horas y una mayor resistencia a la compresión de los morteros a largo plazo.
Se observó una buena correlación entre la densidad de empaquetamiento y el tamaño de las partículas de ceniza, donde las cenizas más finas resultaron en una mayor densidad de empaquetamiento del mortero. Por tanto, las cenizas más finas mostraron el mejor rendimiento mecánico, aunque se pueden producir cenizas adecuadas con un D 50 de 20 μm. En términos de durabilidad, las muestras M-REF atacadas con ácido experimentaron una mayor pérdida de masa durante el ataque con ácido sulfúrico. Sin embargo, dado el diferente mecanismo de degradación de los morteros atacados que contienen muestras de SBFA, la absorción de agua aumentó y la resistencia a la compresión disminuyó en comparación con sus contrapartes no atacadas y las muestras de referencia atacadas.
En resumen, si bien el uso de cenizas volantes de bagazo ultrafinas en materiales cementosos ofrece varias ventajas, como un rendimiento mecánico mejorado, una hidratación acelerada y beneficios ambientales, también existen limitaciones relacionadas con la durabilidad y el rendimiento mecánico con partículas más gruesas. En general, es necesaria una consideración adecuada de estos factores para un uso eficaz a gran escala de las cenizas volantes de bagazo de caña de azúcar en aplicaciones cementantes. La investigación adicional debería centrarse en (i) comprender el desempeño a largo plazo de los materiales cementosos que contienen cenizas volantes de bagazo; (ii) realizar evaluaciones del ciclo de vida para evaluar el impacto ambiental del uso de cenizas volantes de bagazo como material cementante complementario en comparación con los materiales convencionales; (iii) investigar la viabilidad económica de incorporar cenizas volantes de bagazo en materiales cementantes, incluidos análisis de costo-beneficio y evaluar el potencial para la producción a escala comercial. Al abordar estas direcciones de investigación, se pueden lograr más avances en el aprovechamiento del potencial de las cenizas volantes de bagazo como material cementoso complementario sostenible y eficaz, contribuyendo al desarrollo de prácticas de construcción ecológicas.
Investigación de:
Ketlynn Passos Alvarenga, Guilherme Chagas Cordeiro,
Evaluating Sugarcane Bagasse Fly Ash as a Sustainable Cement Replacement for Enhanced Performance,
Cleaner Engineering and Technology,
2024,
100751,
ISSN 2666-7908,
https://doi.org/10.1016/j.clet.2024.100751.
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666790824000314)
