CENIZA VOLCÁNICA: MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN SUSTENTABLE

Las cenizas volcánicas son materiales puzolánicos naturales que se generan por la fragmentación del magma. Las cenizas producidas durante una erupción volcánica consisten en rocas piroclásticas, minerales y vidrio volcánico con diámetros inferiores a 2 mm (Cai et al., 2016). Los depósitos de materiales de ceniza se extienden sobre aproximadamente el 0,84 % de la superficie terrestre del mundo o 124 millones de hectáreas, de las cuales el 60 % se distribuyen en regiones tropicales (Robayo et al., 2017). Estos depósitos son de fácil acceso, se pueden extraer de forma natural y tienen una mejor relación costo-beneficio en comparación con el método tradicional de explotación de canteras comúnmente utilizado para la extracción de arcilla. Además, en países densamente poblados con alto crecimiento económico, estos depósitos pueden tener un valor comercial significativo para la industria del cemento porque la ceniza puede usarse en la producción de cemento mezclado (Pourkhorshidi et al., 2010).

Los componentes más esenciales y críticos de la ceniza son la sílice (SiO2) y la alúmina (Al2O3). Mientras que el SiO2 es el componente principal de las cenizas, el Al2O3 es un componente esencial en la mayoría de las puzolanas descritas. Las cenizas también pueden contener proporciones menores de otros óxidos puzolánicos, como el óxido férrico (Fe2O3) y el óxido de magnesio (MgO), que se encuentran comúnmente en rocas ácidas. Algunas de las cenizas descritas en la Tabla 1 contienen de 5% a 10% de óxido de calcio (CaO), que es responsable de las propiedades de cemento hidráulico del material.

Las propiedades físicas de las cenizas volcánicas reportadas por diferentes investigadores se dan en la Tabla 1. El área de superficie específica (SSA) de cenizas, determinada usando el método Blaine de acuerdo con las especificaciones ASTM C204, varía de 240 a 1640 m2/kg, que generalmente es más fino que el cemento portland ordinario de 367 m2/kg (Al-Fadala et al., 2017). La finura de las partículas de ceniza volcánica se puede modificar eliminando la fracción arenosa antes de mezclar con cemento o moliendo la ceniza a un tamaño de partícula más fino (Hossain, 2003). Las partículas de ceniza más pequeñas tienen una microestructura más porosa y, por lo tanto, tienen un SSA más alto y son más activas en un medio alcalino (Tchakoute, et al., 2013).

Durante los últimos 30 años, se ha llevado a cabo una amplia investigación para utilizar las cenizas volantes en varios sectores, ya que no se consideran residuos peligrosos. Las siguientes son algunas de las áreas potenciales de uso de las cenizas volantes de acuerdo con (Dwivedi y Jain, 2014).

Los compuestos a base de cenizas se han desarrollado utilizando cenizas volcánicas como relleno y tela de yute como refuerzo. La tecnología del compuesto de polímero de cenizas que utiliza tela de yute como refuerzo para el material sustituto de la madera se puede aplicar para desarrollar diferentes elementos constructivos, como persianas de puertas, paneles divisorios, baldosas para pisos, paneles de paredes, techos, etc. Esta tecnología ha sido desarrollada por el Laboratorio de Investigación Regional, Bhopal. en colaboración con el Consejo de Promoción de Tecnología y Materiales de Construcción (BMTPC) y TIFAC. También se ha establecido una planta comercial basada en esta tecnología cerca de Chennai (Saxena y Prabhakar, 2000).

La industria del cemento representa el 8% de la producción mundial de GEI (dióxido de carbono). La sustitución parcial de cemento Portland ordinario (OPC) con ingredientes alternativos no solo ahorra emisiones de dióxido de carbono y consumo de combustible, sino que también mejora las características del concreto y la sostenibilidad de la construcción (Alqarni, 2022).

Siddique (2012), observó que el polvo de ceniza volcánica cumple con los requisitos de la norma ASTM C618 para su uso como compuestos puzolánicos. Una vez que la relación de ceniza volcánica supera el 10%, hay una disminución considerable de la resistencia. Para limitar la pérdida de resistencia, generalmente se recomienda sustituir el cemento con ceniza volcánica solo hasta un máximo del 15-20% (Meddah, 2015). También se ha demostrado que el uso de relaciones bajas de ceniza volcánica es beneficioso para la resistencia a largo plazo del concreto, la resistencia al ataque del agua salada, la carbonatación y la infiltración de iones de cloruro (Alqarni, 2022).

El Instituto Central de Investigación de Combustibles de Dhanbad ha desarrollado una tecnología para la utilización de cenizas volcánicas para la fabricación de ladrillos de construcción (Senapati, 2011). La ceniza se puede utilizar en el rango de 40-70% para la fabricación de estos ladrillos. La producción actual de ladrillos de arcilla supera los 100 mil millones de ladrillos al año. En tales circunstancias y cuando los ladrillos de cenizas volantes son técnicamente aceptables, económicamente viables y respetuosos con el medio ambiente, puede que no sea incorrecto apuntar a producir al menos 2 mil millones de ladrillos de cenizas volantes por año. Consumiría alrededor de 5 millones de toneladas de cenizas volantes/año, lo que generaría un ahorro por año. Los ladrillos de ceniza volante tienen una serie de ventajas sobre los ladrillos de arcilla cocida convencionales. También se pueden hacer baldosas sin esmaltar para colocar en aceras. Se requiere concienciación entre el público y el Gobierno tiene que proporcionar incentivos especiales para este fin (Rautaray et al., 2003).

Las cenizas volcánicas se pueden utilizar para la construcción de carreteras y terraplenes. Conserva la capa superior del suelo que, de lo contrario, se desecharía, evita la creación de áreas bajas (mediante la excavación del suelo que se usará para la construcción de terraplenes) (Alami y Akhtar, 2011). Las cenizas se pueden utilizar en la construcción de carreteras para: estabilizar y construir subbases o bases; capas superiores de pavimentos; y con fines de relleno. El concreto con cenizas (10-20% por peso) es rentable y mejora el rendimiento del pavimento rígido; El suelo mezclado con cenizas y cal aumenta la relación de carga de California (CBR) en 84,6 % al agregar solo cenizas volantes al suelo.

Las propiedades de las cenizas volcánicas son algo únicas como material de ingeniería. A diferencia de los suelos típicos utilizados para la construcción de terraplenes, las cenizas tienen un gran coeficiente de uniformidad que consiste en partículas del tamaño de la arcilla. Las propiedades de ingeniería que afectarán el uso de cenizas volantes en los terraplenes incluyen la distribución del tamaño del grano, las características de compactación, la resistencia al corte, la compresibilidad, la permeabilidad y la susceptibilidad a las heladas.

Otra aplicación del uso de cenizas volcánicas es en presas de concreto compactado con rodillo. Muchas represas en los EE. UU. se han construido con un alto contenido de cenizas. Las cenizas reducen el calor de hidratación, lo que permite que se produzcan colocaciones más gruesas. Los datos para estos se pueden encontrar en la Oficina de Reclamación de EE. UU. Esto también se ha demostrado en el proyecto de la represa de Ghatghar en India (Kumar et al., 1999).

El concreto asfáltico es un material compuesto formado por un aglutinante de asfalto y un agregado mineral. Las cenizas volcánicas se pueden usar típicamente como relleno mineral para llenar los vacíos y proporcionar puntos de contacto entre las partículas de agregado más grandes en las mezclas de concreto asfáltico. Esta aplicación se usa en conjunto o como reemplazo de otros aglutinantes (como el cemento Portland o la cal hidratada) (Kumar et al., 1999). Para su uso en pavimento de asfalto, las cenizas volantes deben cumplir con las especificaciones de relleno mineral descritas en la norma ASTM D242. La naturaleza hidrofóbica de las cenizas volantes les da a los pavimentos una mejor resistencia al decapado. También se ha demostrado que las cenizas aumentan la rigidez de la matriz asfáltica, mejorando la resistencia a la formación de surcos y aumentando la durabilidad de la mezcla (Alami y Akhtar, 2011).