I Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Castellón, 23-24 de julio de 2008.

UTILIZACION DEL RESIDUO OBTENIDO EN EL PROCESO DE COMBUSTION DE LA CÁSCARILLA DE ARROZ PARA LA PREPARACIÓN DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN DE BAJO COSTE CON BASE CEMENTICIA Ospina, M,A.1*; Monzó, J.2; Payá, J.2; Borrachero, M, V.2; Mejía, R.1; Delvasto, S.1 1. Grupo de Materiales Compuestos. CENM. Universidad del Valle, Calle 13 # 100-00, Cali, Colombia. 2. Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón. Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n 46071 Valencia, Spain.

Resumen La cascarilla de arroz es un residuo agrícola que se producen en grandes cantidades, aproximadamente de cada 100 kg de arroz se obtienen 20 kg de cascarilla. Los mayores productores mundiales son la India, China, Tailandia y Bangladesh. En Europa, España junto con Italia son los mayores productores, generándose en España unas 100.000 Tm de cascarilla de arroz. La incineración, es una de las formas de gestión más habitual de de la cascarilla de arroz que permite la eliminación de la materia orgánica contenida en la misma (la quinta parte de la cascarilla de arroz se transforma en ceniza después de la combustión). La ceniza obtenida en condiciones específicas de combustión, presentan propiedades puzolánicas, lo que permite su utilización en la preparación de morteros, como sustitución parcial del cemento portland. Las investigaciones desarrolladas han consistido en utilizar este residuo para la preparación de tejas de microhormigón, mediante la sustitución parcial de cemento por ceniza de cascarilla de arroz, como forma de reutilización de este residuo agrícola de difícil gestión. Palabras clave: residuo agrícola, ceniza de cascarilla de arroz, puzolana, materiales de bajo coste, tejas.

1. Introducción El calentamiento global atribuido a la producción de gases de efecto invernadero es un problema vigente, el CO2 es uno de los principales gases relacionados con este fenómeno y en cierta medida la industria productora y consumidora de cemento se ve involucrada debido a la generación de CO2 durante la descarbonatación en la producción de cemento, en este sentido cualquier esfuerzo en la producción de materiales puzolánicos que pueden sustituir parcialmente al cemento es importante. Adicionalmente la cascarilla de arroz es un subproducto industrial de difícil gestión, se utiliza principalmente como combustible para el proceso de secamiento de arroz obteniéndose como residuo una ceniza. En este trabajo se tratara mecánicamente esta ceniza para luego ser incorporada como adición puzolánica en tejas de microhormigón. La ceniza de cascarilla de arroz (CCA) es un excelente material puzolánico [1], la ceniza obtenida al quemar completamente la cascarilla corresponde al 17.8% de la masa original [2], esta ceniza contiene aproximadamente un 95% de SiO2, el 5% restante corresponde a trazas de diferentes óxidos principalmente K2O [3 - 6]. La superficie específica es otra propiedad de interés en la CCA, debido a la estrecha relación que tiene con el porcentaje de sílice amorfa, la reactividad y el tamaño de partícula [7]. Se encuentran reportes de superficie específica (BET), que oscilan entre 6.77m2/g [8] y 321 m2/g, en el último caso con un volumen especifico de poro de 4.7297 cm3/g y un diámetro *

Correspondencia: [email protected]

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promedio de poro de 4,5 nm [9]. También se encuentra reportado CCA con mayor superficie específica, pero obtenida bajo condiciones especiales de molienda. Aunque la actividad (amorficidad) de este material está determinada por la temperatura de obtención [10], a diferencia de las propiedades mecánicas las propiedades de durabilidad son menos sensibles a esta temperatura y más a las condiciones de molienda, ya que la CCA puede actuar como relleno densificando la matriz cementícia y en términos generales incrementando la durabilidad de estos materiales [11 - 14]. En este trabajo se utilizó una ceniza proveniente de un proceso térmico industrial, por lo que su temperatura de obtención no fue la óptima, sin embargo se encontró que esta CCA tiene una adecuada calidad, la cual permite reducir el consumo de cemento, aumentando la resistencia mecánica de las tejas fabricadas y aprobando la norma de impermeabilidad al agua [15].

2. Programa Experimental 2.1 Materiales Utilizados La CCA utilizada es proveniente de un proceso de incineración industrial, con un porcentaje de perdida al fuego de 8,92%, esta ceniza fue molida en un molino de bolas de alúmina modelo Gabrielli Mill-2 durante 40 minutos y su granulométrica se obtuvo usado el analizador de tamaños de partículas Mastersizer 2000 de Malvern Instrument. En el gráfico de la figura 1 se puede observar la reducción del tamaño de partícula, pasando de un tamaño medio de 86.849µm a 17.059µm después de molida.

Figura 1. Dispersión de tamaño de partícula de la CCA.

La morfología de la CCA analizada por microscopia electrónica (SEM) muestra la naturaleza irregular de las partículas (figura 2), así como la visible sinterización superficial (figura 3). a)

b)

Figura 2. Morfología de las partículas de CCA a) sin moler b) molidas.

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a)

b)

Figura 3. Superficie de las partículas de CCA a) sin moler b) molidas

El cemento utilizado es un cemento Portland CEM I-52.2R cuya composición se puede observar en la tabla 1.

SiO2

Al2O3

Tabla 1. Composición de química del cemento utilizado Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O *P.P.C.

22.05 5.44 3.64 62.53 2.43 * P.P.C: Porcentaje de perdida por calcinación

3.75

1.42

1.6

CaO Libre 1.12

2.2 Fabricación de los elementos constructivos (tejas) Se fabricaron tejas tipo romana (figura 4) con una mezcla de microhormigón con relación agua : cemento de 1:2 y árido : material cementante de 3:1. Se evaluaron dos reemplazos de cemento por CCA del 10 y el 20% en peso a 7, 28 y 90 días de curado. Las tejas se fabricaron por vibrado y moldeo, el proceso de curado fue bajo agua a 25°C. Las tejas tienen las siguientes características: • Dimensiones en mm 500 x 250 • Dimensión efectiva mm 400 x 200 • Espesor mm 10 • Altura de onda mm 40

Figura 4. Tipo de teja fabricada

2.3 Métodos de Ensayo Las principales propiedades de una teja son la resistencia mecánica y la impermeabilidad al agua. En este trabajo se midió la resistencia mecánica (resistencia a flexión transversal)

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aplicando la norma UNE-EN 491 de julio de 2005, para realizar este ensayo se utilizó una prensa universal Instron 3382 con aplicación de la carga transversal a través de una pieza contorneada, en este ensayo la teja es colocada sobre dos apoyos metálicos redondeados ubicados con una amplitud de 311mm (2/3 de la distancia de cuelgue), según se observa en la fotografía de la figura 5.

Figura 5. Montaje del ensayo de resistencia mecánica a flexión transversal

La impermeabilidad al agua se evaluó según la norma UNE-EN 491 de julio de 2005. El principio de este ensayo consiste en rellenar la teja de agua por la parte cóncava y verificar el numero de gotas que atraviesan y caen en la parte inferior de la teja en un periodo de tiempo de 20 horas ± 5 minutos, para esto se coloca la teja en un marco-estanque y se inunda a una altura de 15mm sobre el punto de mayor altura de la teja. El modelo del marco-estanque y el montaje de la teja se puede observar en la figura 6, el borde de la teja se impermeabilizó utilizando silicona neutra.

Figura 6. Montaje del ensayo de impermeabilidad al agua

3. Resultados En la tabla 2 se puede observar el efecto de la incorporación de CCA sobre la resistencia mecánica a flexión de las tejas, encontrando que esta adición mejora significativamente el comportamiento mecánico de estos prefabricados.

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Tabla 2. Resistencia Mecánica de las tejas de microhormigón.

Mezcla reemplazo de cemento 0% 10% 20%

Resistencia Mecánica a flexión (N)* 7 días

28 días

91 días

870 910 820

1000 1150 1130

1090 1230 1270

*Valor promedio de tres tejas

Todas las tejas evaluadas superaron la prueba de impermeabilidad al agua, al no ser atravesadas por la humedad durante el periodo de ensayo, adicionalmente no presentaron ninguna señal de humedad en la cara externa.

4. Conclusión A partir de la caracterización de la CCA tratada mecánicamente y los resultados mecánicos y de permeabilidad obtenidos, se puede concluir que la CCA obtenida de un proceso de combustión es un material adecuado en la elaboración de tejas de microhormigón ya que permite disminuir el consumo de cemento, así como mejorar las propiedades mecánicas y mantener la condición de impermeabilidad al agua.

Agradecimientos Los autores de este artículo agradecen a la Universidad Politécnica de Valencia y al Centro de Excelencia en Nuevos Materiales (CENM) por el soporte prestado durante esta investigación.

5. Referencias [1]

A. SALAS, M. A. OSPINA, S. DELVASTO AND R. MEJIA. Study on the Pozzolanic Properties of Silica Obtained from Rice Husk by Chemical and Thermal Process. In: phys. stat. sol. (c) 4, No. 11, 4311–4318 (2007).

[2]

J. V. CAMARGO, A. H. RESTREPO. Caracterización Térmica y Estequiométrica de la Combustión de la Cascarilla de Arroz. En: Scientia Et Technica, No 24, (Mayo 2004); Utp. Issn 0122-1701.

[3]

M. NEHDI, J. DUQUETTE, A. EL DAMATTY. Performance of rice husk ash produced using a new technology as a mineral admixture in concrete. In: Cement and Concrete Research 33 (2003); p. 1203–1210.

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R.V. KRISHNARAO, J. SUBRAHMANYAM, T. JAGADISH KUMAR. Studies on the formation of black particles in rice husk silica ash In: Journal of the European Ceramic Society 21, (2001); p. 99-104.

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V.P. DELLA, I. KÜHN, D. HOTZA. Rice husk ash as an alternate source for active silica production In: Materials Letters 57 (2002); p. 818–821.

[6]

QINGGE FENG, H. YAMAMICHI, M. SHOYA, S. SUGITA. Study on the pozzolanic properties of rice husk ash by hydrochloric acid pretreatment. In: Cement and Concrete Research 34 (2004); p. 521–526.

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J. Payá, J. M. Monzó, M. V. Borrachero, L. M. Ordoñez. A Proposal Regarding the Denomination and use of Rice Husk Ash for its Standarization in Blended Cement. In IC-NOCMAT 2007. C-ICN02

[8]

J. H. DA SILVA, A. A. NEPOMUCENO. Assessment of the pozzolanic reaction of crystaline and amorphous rice husk-ashes (RHA). In:International RILEM conference on the use of recycled materials in building and structures 8 – 11, (November 2004); p. 715-723.

[9]

N. YALCIN, V. SEVINC. Studies on Silica Obtained from rice Husk. In Ceramics International, 27 (2001); p. 219-224.

[10] M. OSPINA. Evaluación de Métodos de Obtención de Sílice Amorfa a Partir de Cascarilla de Arroz. Universidad del Valle. (2004). [11] M. M. TASHIMA, C. DA SILVA, The possibility of adding rice husk ash (RHA) to concrete. In: International RILEM conference on the use of recycled materials in building and structures 8 – 11, (November 2004); p. 778-786. [12] M.H. ZHANG, R. LASTRA, AND V.M. MALHOTRA Rice-Husk Ash Paste and Concrete: Some Aspects of Hydration and the Microstructure of the Interfacial Zone Between the Aggregate and Paste In: Cement and Concrete Research, Vol. 26, No. 6, (1996); p. 963-977. [13] C. DE SOUZA R, K. GHAVAMI. The Influence of Rice Husk Ash on Physical and Mechanical Properties of High Performance Cellulose-Cement Composites. In: First Research Colloquium on Non-Conventional Materials Brazil-Colombia, (2005). [14] P. METHA, K. FOLLIARD. Rice husk ash – a unique supplementary cementing material: durability aspects. In: Advance in Concrete ACI, (1995); p. 531 – 543. [15] Norma: UNE-EN 491 de Julio de 2005