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Naturaleza y Desarrollo 7 (2), 2009
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Cenizas de coco y hoja de pino para su uso como
puzolana
Ur Iván Hernández Toledo, Rafael Alavez Ramírez, Pedro Montes García
Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional I.P.N.,
Unidad Oaxaca. Calle hornos No. 1003, Col. Sta. Cruz Xoxocotlán
C.P. 71230, Oaxaca, México. Tel. (01951)5170610, Ext. 82718.
Correo electrónico: [email protected]
Resumen
En el presente trabajo se obtuvo la densidad, composición química y el Índice de Actividad
Resistente (IAR) de la ceniza de fondo de concha de coco (CCC) y hoja de pino (CHP), para
evaluar su posible uso como puzolana. El análisis químico de las cenizas se realizó con el método gravimétrico, digestión total, plasma de acoplamiento inductivo óptico y volumétrico,
identificándose los principales óxidos para comparar con los lineamientos de la norma ASTM
C 618-00. Se obtuvo la resistencia a la compresión de cubos de mortero para calcular los
IARs. Los resultados de la ceniza de coco muestran un 20.10% en la suma de óxidos (SiO2+Al2O3+Fe2O3) y un 60.96% para la ceniza de pino. La ceniza de coco obtuvo un IAR
de 49.7% y 44.2% mientras que la ceniza de pino un IAR de 94.5% y 90.2% a 7 y 28 días de
edad respectivamente. Se concluye que la ceniza de pino podría utilizarse como puzolana en
el concreto hidráulico.
Palabras clave: Ceniza de fondo, índice de actividad resistente, principales óxidos.
Abstract
In the present work, the density, chemical composition and Resistance Activity Index (RAI)
of the bottom ash of coconut shell (CCC) and pine needles (CHP) were obtained to assess their possible use as pozzolana. Chemical analysis of both types of ash was carried out using
the gravimetric method, total digestion, and optical and volumetric inductively coupled
plasma, in order to identify the major oxides for comparison with the guidelines of ASTM C
618-00. The compressive strength of mortar cubes was established in order to estimate the RAIs. The results for the coconut shell ash show 20.10% in the total amount of oxides (SiO2 +
Al2O3 + Fe2O3) and 60.96% for the pine needle ash. Coconut shell ash displayed an RAI of
49.7% at 7 days of age and 44.2% at 28 days, while the pine needle ash displayed an RAI of
94.5% at 7 days and of 90.2% at 28 days. It was concluded that the use of pine needle ash as pozzolana in hydraulic concrete is viable.
Keywords: bottom ash, major oxides, Resistance Activity Index
Introducción
Las puzolanas naturales son
ampliamente usadas como un sustituto
del cemento Portland en muchas
aplicaciones debido a las ventajas que
proporciona como la reducción de
emisión del CO2, la disminución de la
permeabilidad y el incremento de la
durabilidad del concreto. Una de las
claves para el correcto uso de este tipo
Hernández et al.
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de materiales es conocer su capacidad de
reacción con la portlandita (Ca(OH)2),
liberada durante la hidratación del
cemento, es decir, el desarrollo de la
reacción puzolánica. La actividad
puzolánica se determina por varios
métodos (Watt & Thorne, 1965). La
ASTM define a estas incorporaciones en
estado natural o activadas térmicamente,
como puzolanas por su contenido sílico-
aluminoso que reaccionan con el
Ca(OH)2 para la formación de
compuestos que mejoran las propiedades
mecánicas y la durabilidad de las
estructuras de concreto (ASTM, 2005).
El efecto globalizante aunado a las
necesidades de mitigación de los
impactos ambientales que ocasionan los
gases de efecto invernadero, propician el
empleo de esquilmos y subproductos
industriales orientándolos en términos de
sustentabilidad. La producción anual de
esquilmos en México oscila en 45
millones de toneladas de materia seca,
que representa el 81% de los residuos de
cultivos (González, 2007). La industria
cementera evalúa la incorporación de
éstos como materiales cementantes
suplementarios (SCM) para disminuir la
cantidad de cemento a utilizar mediante
su reemplazo parcial por desechos o
materiales reciclados de bajo costo para
mitigar la emisión de 0.85 kg CO2/kg de
cemento por descarbonatación de
materia prima y eliminar la acumulación
de desechos en tiraderos a cielo abierto
(IIGEN-UNAM, 2001 y Neuwald,
2004).
Hace casi dos décadas que se reportan
investigaciones realizadas en países
asiáticos tropicales sobre la ceniza de
concha de coco. Estas investigaciones
fueron iniciadas por Tay en 1990. En el
Cuadro 1 se muestra un resumen de las
propiedades fisicoquímicas e IAR de
ceniza de concha de coco molida
reportada en algunas investigaciones. En
todas ellas se reportan cantidades
adecuadas de óxidos, una fineza superior
a la del cemento e IARs altos. Sin
embargo, aunque no se menciona parece
ser que las cenizas recibieron algún
tratamiento adicional para modificar las
cantidades de los óxidos presentes, ya
que Tay & Show (1995) reportaron en un
trabajo donde se utilizaron cenizas de
concha de coco cantidades menores de
los óxidos necesarios para la reacción
puzolánica y un IAR a 28 días de 40%.
Los antecedentes revisados indican que
cuando la ceniza de concha de coco
presenta altas cantidades de óxidos
(SiO2, Al2O3, Fe2O3), tendrá un buen
IAR; sin embargo, la fineza de la ceniza
será también un factor determinante. En
el Cuadro 2 se muestra un ejemplo de la
dependencia del IAR a 28 días de la
ceniza de coco con la fineza de la misma.
En México la concha de coco es utilizada
ampliamente como combustible por su
bajo costo, en hornos ladrilleros y
alfareros, por lo que podría aprovecharse
su ceniza como puzolana. Sobre la
ceniza de hoja de pino no se encontraron
referencias; sin embargo, en la búsqueda
de nuevas puzolanas, ésta fue también
evaluada.
Materiales y Métodos
En este apartado se describen los
materiales que se utilizaron, el
procedimiento de obtención de las
cenizas de coco y pino, así como las
pruebas que se realizaron a las mismas.
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Cuadro 1. Propiedades fisicoquímicas e IAR de cenizas de concha de coco.
Propiedades Awal &
Hussin
1997
Sata
et al.
2006
Jaturapit
akkul
et al.
2007
Chindap
rasirt et
al.
2007
Rukzon
&
Chindap
rasirt
2008 Cenizas de: A B B A,B B
Temperatura de
quemado (°C)
600 ----- 800-1000 ----- 800-1000
Densidad (g/cm3) 2.22 2.33 2.43 2.43 2.25
Retenido en tamiz no. 325 ------ 1.5 1.0 1.0 1-3
Partícula d50 (µm) ------ 10.1 7.4 8.0 7.0
Fineza (cm2/g) 5,190 12,435 ----- ----- 11,800
Composición química (%)
SiO2 43.6 65.30 57.7 57.8 63.6
Al2O3 11.4 2.56 4.5 4.6 1.6
Fe2O3 4.7 1.98 3.3 3.3 1.4
CaO 8.4 6.03 6.5 6.6 7.6
K2O 3.5 5.72 8.2 8.3 6.9
MgO 4.8 3.08 4.2 4.2 3.9
Na2O 0.39 0.36 0.5 0.5 0.1
SO3 2.8 0.47 0.2 0.3 0.2
PxC 18.00 10.05 10.50 10.10 9.60
SiO2+ Al2O3+ Fe2O3 59.7 69.84 65.5 65.7 66.6
IAR a 28 días, 20%
de sustitución
115 % mortero
105% (mortero con
fibras
99% concreto
92% concreto
102% mortero
A: Quema de frutos de coco vacíos en fábricas productoras de aceite de palma.
B: Quema de frutos de coco vacíos en plantas generadoras de energía eléctrica.
Cuadro 2. Dependencia del IAR con las propiedades físicas de la ceniza de
concha de coco utilizada por Jaturapitakkul, 2007.
Propiedades Sin moler Molido
medio
Molido
alto Densidad (g/cm3) 1.89 2.36 2.43
Partícula d50 (µm) 183.0 15.9 7.4
Retenido en malla No. 325 (%) 94.4 19.5 1.0
IAR a 28 días, 20% de sustitución en
concreto
66%
84%
99%
Se utilizó Cemento Portland Ordinario
CPO 40 LAFARGE, arena de río
estándar graduada tipo Ottawa (ASTM C
778-02) y agua potable para elaborar las
mezclas de mortero. En el Cuadro 3 se
muestra la granulometría, densidad y
Hernández et al.
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absorción de la arena. En el Cuadro 4 se
muestran los principales óxidos
presentes en el cemento utilizado.
Cuadro 3. Propiedades físicas de la
arena
Granulometría Arena
graduada
ASTM C778
Malla No. % pasa % pasa
40 66.86 65-75
50 25.00 20-30
100 1.74 0-4
Densidad 2.77
Absorción 1.75%
Cuadro 4. Principales óxidos del
cemento CPO 40
Elemento/
compuesto
%
Al2O3 4.14
CaO 70.03
Fe 0.12
Fe2O3 N.D
FeO 0.16
K2O 0.71
MgO 0.83
MnO 0.04
Na2O 1.88
P2O5 0.04
PXC 5.06
SiO2 16.79
TiO2 0.21
Ceniza de coco y pino
La ceniza de coco se obtuvo a partir de
conchas de coco vacías de palma de coco
(Cocos nucifera) recolectadas en la
central de abasto de la ciudad de Oaxaca.
La ceniza de pino se obtuvo de hojas de
pino (Pinus pseudostrobus) recolectadas
en los alrededores de la ciudad de
Oaxaca. En la Figura 1 se muestra un
resumen del procedimiento que se siguió
para la obtención de las cenizas. Las
conchas de coco se secaron al horno
durante 24 horas a 105ºC para facilitar su
posterior quemado, las hojas de pino se
extendieron al sol durante dos horas
(Figura 2 y 3).
Para incinerar el coco y el pino se utilizó
un horno de concreto refractario
reforzado exteriormente con acero, con
diámetro y altura interior de 40 y
45cm respectivamente. Inicialmente se
inyectaba gas butano por un orificio
ubicado en la parte baja del horno. Con
base en las pérdidas por calcinación
obtenidas en incineraciones previas, se
decidió mejorar el proceso de
combustión, para lo cual se colocó una
malla de metal desplegado y así elevar el
material a quemar 10 cm por encima del
fondo del horno, además se inyectó aire
con un ventilador en vez del gas butano
(Figura 4). Con esta última adaptación se
logró un suministro distribuido y
Después de cada quema se recolectó la
ceniza de fondo, la cual quedó
acumulada bajo la malla de metal
desplegado (Figuras 6 y 7). Las
cenizas se lavaron para eliminar el
exceso de carbón, posteriormente se
secaron al horno a 105º C. Por último
se molieron primero en un molino de
bolas a 100 rev/min durante una hora y
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Figura 1. Procedimiento de obtención de la ceniza de coco y pino
Figura 2. Hojas de pino secándose al
sol
Figura 3. Conchas de coco vacías
secándose en horno
después en un mortero de cerámica
hasta lograr que el 100% pasara el tamiz
No. 200 (75µm). El color de las cenizas
de concha de coco fue de un gris claro,
mientras que el de la hoja del pino
obtuvo un gris oscuro.
Densidad
La obtención de la densidad de la ceniza
de hojas de pino (CHP) y la ceniza de
conchas de coco (CCC), se llevó a cabo
de acuerdo a la norma ASTM C 188 – 95
(Reapproved 2003) “Standard Test
Method for Density of Hydraulic
Cement”. Para su realización se utilizó
un frasco de Chatelier, nafta (gasolina
blanca) y una báscula digital con
precisión de centésimos de gramo.
Análisis químico
Se realizó un estudio de composición
química de óxidos mayores a la CHP y
CCC en el Servicio Geológico
Mexicano, y se empleó el método
gravimétrico, digestión total, plasma de
acoplamiento inductivo óptico y
volumétrico.
Hernández et al.
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Figura 4. Horno y ventilador utilizados. Figura 5.Combustión inicial de
hoja de pino
Figura 6. Ceniza de fondo de concha
de coco
Figura 7. Ceniza de fondo de hoja de
pino
El objetivo fue cuantificar los principales
óxidos que intervienen en la reacción
puzolánica (SiO2, Al2O3, Fe2O3)
presentes en la CHP y CCC, y comparar
con lo establecido en la norma ASTM C
618-05, la cual menciona que la
sumatoria de dichos óxidos debe ser
mayor a 70% para que las cenizas sean
consideradas puzolanas.
Índice de Actividad Resistente
Para evaluar la actividad puzolánica de
un material se pueden aplicar métodos
químicos, físicos y mecánicos. Los más
conocidos y aplicados en ingeniería son
mecánicos, en que se evalúa la
contribución de la reacción puzolánica
en el desarrollo de la resistencia a
compresión de morteros y concretos que
las contienen.
A nivel general se establece una serie de
parámetros para evaluar la actividad
puzolánica de un material: relación
agua/cemento, relación agregado/cemen-
tante, tiempo de curado, temperatura de
curado, proporción de puzolana y tipo de
cemento, entre otros. Para poder
interpretar los datos mecánicos obteni-
dos, se sugiere que al menos estos
parámetros se fijen (Páya et al., 2002).
A nivel de normas, la ASTM C 311-04
“Standard Specification for Coal Fly Ash
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and Raw or Calcined Natural Pozzolan
for Use in Concrete,” fija todos los
factores mencionados anteriormente con
excepción de la relación agua/cemento,
que es uno de los más importantes por
estar vinculado directamente con el
desarrollo de la resistencia a la
compresión. A pesar de que esta norma
propone una relación agua/cemento fija,
ésta se modificará por considerar el
efecto demandante o reductor de agua de
la puzolana en cuestión y así mantener
una fluidez determinada en la mezcla.
Para obtener el Índice de Actividad
Resistente (IAR) también llamado Índice
de Actividad Puzolánica, se elaboraron
cubos de mortero de 5 cm de lado.
Originalmente se siguió el procedimiento
de la norma ASTM C 311-04, la cual
establece para el diseño de mezclas, que
los especímenes control se elaboren con
2.75 partes de arena por una de cemento,
una relación agua/cementantes de 0.485,
la cual se modifica hasta alcanzar una
fluidez de 110 ±5 mm y para las mezclas
con puzolana se mantienen estas
proporciones y se reemplaza un 20% de
cemento por puzolana. Al elaborar las
mezclas con una relación
agua/cementantes de 0.485, se observó
que la fluidez alcanzada fue mucho
menor (35 mm) y que la pasta no cubría
completamente las partículas de arena,
por lo que se disminuyó la cantidad de
arena hasta alcanzar la fluidez de 110 ±5
mm y se mantuvo en lo posible la
relación agua/cementantes de 0.485. En
el Cuadro 5 se muestra el diseño de
mezclas que se utilizó.
Con cada mezcla se elaboraron cubos
que se ensayaron a 7, 14 y 28 días de
edad con 3 réplicas para cada edad. Se
siguió el procedimiento de la norma
ASTM C 109-05 “Standard Test Method
for Compressive Strength of Hydraulic
Cement Mortars (Using 50-mm Cube
Specimens)”. Los cubos se curaron en
una solución de hidróxido de calcio hasta
el momento de su ensayo, mismo que se
llevó a cabo con una prensa hidráulica
ELVEC E 659-5. En la Figura 8 se
muestran el total de cubos para las 3
mezclas y en la Figura 9 el arreglo para
el ensayo a compresión de un cubo de
mortero.
El IAR es la relación de la resistencia a
compresión promedio a una misma edad
del mortero con puzolana y el mortero
control expresada en porcentaje (ASTM
C 311-04), puede calcularse con la
expresión siguiente:
100xR
RIAR
MC
MP
Cuadro 5. Diseño de mezclas
Parámetro ASTM C311-
04
M.
control
M. cem-pino M. cem-
coco
Cemento 80% 100% 80% 80%
Puzolana 20% 20% 20%
Relación
agua/cementantes
0.485 0.485 0.514 0.485
Relación
arena/cementantes
2.75 1.90 1.60 1.97
Fluidez (mm) 110±5 111 108 110
Hernández et al.
40
Figura 9. Falla de un cubo de mortero
después de aplicar la carga
axial última.
Donde:
IAP= Índice de Actividad Puzolánica
(%)
RMP = Resistencia a la compresión del
mortero cemento-puzolana: arena (MPa-
Kg/cm2)
RMC = Resistencia a la compresión del
mortero cemento: arena (MPa-Kg/cm2)
Resultados y Discusión
En el Cuadro 6 se muestran los valores
de densidad y contenido de los
principales óxidos presentes en la CCC y
CHP, también se muestran los requisitos
establecidos en la norma ASTM C 618-
05 para los tres tipos de puzolana que
ésta considera. Clase N, puzolanas
naturales crudas o calcinadas; Clase F,
cenizas volantes generalmente
producidas por la quema de carbones
antracíticos o bituminosos con
propiedades puzolánicas, y Clase C,
cenizas volantes generalmente
producidas por la quema de carbones
ligníticos o subituminosos con
propiedades puzolánicas y algunas
cementantes.
Se observa que la CCC presenta
contenidos de SiO2, Al2O3 y Fe2O3 más
bajos que la CHP, ya que obtuvo una
suma de 20.46% de dichos óxidos,
también muestra un elevado contenido
de álcalis con un 22.97% de K2O. Es
importante mencionar que porcentajes
muy altos de este álcali parecen afectar
Figura 8. Cubos control (1C-9C), cubos cemento-coco (1CC-9CC) y
cubos cemento-pino (1P-9P).
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Elemento/ COCO PINO C.VOLANTE
Compuesto N F C % % %
Al2O3 1.93 8.97 23.28
CaO <10 >10 7.07 10.59 5.47
Fe2O3 0.84 3.00 4.44
K2O 22.97 1.48 0.95
MgO 6.06 5.54 1.37
Na2O 2.97 1.39 0.62
P2O5 6.36 1.63 0.3
PxC 10 6 6 32.05 12.77 3.69
SiO2 17.69 50.70 58.02
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 70 70 50 20.46 62.67 85.74
Densidad 2.83 2.42
ASTM C618-05
Cuadro 6. Resultados de composición química y densidad.
la resistencia a la compresión, aunque no
es posible asegurarlo, ya que este
fenómeno no se ha estudiado en detalle,
por lo que la tendencia que se observa es
simplemente disminuir las cantidades
presentes del mismo en las puzolanas.
Además, se debe tener en cuenta la
restricción del contenido total de álcalis
en el material cementante para evitar la
reacción álcali-agregado. La CCC
presenta altas pérdidas por calcinación,
lo cual no es adecuado para concretos
que requieren inclusión de aire, ya que el
carbón inhibe la formación de burbujas.
En general los resultados de composición
química que se obtuvieron de las CCC
difieren con la mayoría de los antece-
dentes que se revisaron (Awal & Hussin,
1997; Sata et al., 2006; Jaturapitakkul et
al., 2007; Chindaprasirt et al., 2007 y
Rukzon & Chindaprasirt, 2008),
probablemente porque las cenizas
recibieron algún tratamiento adicional
que no se menciona.
La suma de óxidos mayores para la CHP
fue de 62.67% y obtuvo un 10.59% de
CaO, con lo cual se podría clasificar
como puzolana clase C (Cuadro 6), si se
disminuyeran las pérdidas por calcina-
ción (12.77%) a menos de 6%, lo cual se
podría alcanzar si se mejora el proceso
de quemado. En general los porcentajes
de los principales óxidos de la CHP
fueron adecuados de acuerdo a los
requerimientos de la norma ASTM C
618-05.
En la Figura 10 se observan los valores
de resistencia a la compresión que se
obtuvieron. Las mezclas con CHP obtu-
vieron una resistencia ligeramente
inferior respecto a la mezcla control. En
cambio las mezclas con CCC muestran
valores de resistencia a la compresión
que son aproximadamente la mitad
respecto a la mezcla control. Esta dismi-
nución tan considerable en la resistencia
en las mezclas con CCC podría deberse
además de su bajo contenido de óxidos
(SiO2, Al2O3, Fe2O3) al elevado
contenido de K2O (22.97%).
Hernández et al.
42
Finalmente, en el Cuadro 7, se presentan
las medias, desviación estándar (D.E.) y
el coeficiente de variación (C.V.) de la
resistencia a la compresión, así como los
IAR de las mezclas con CCC y CHP.
Las mezclas con CCC presentan un IAR
a 7, 14 y 28 días de 49.7%, 52.1% y
42.4% respectivamente. Mientras que las
mezclas con CHP presentan un IAR a 7,
14 y 28 días de 94.5%, 96.8% y 86.5%
respectivamente, lo cual se explica por
los favorables contenidos de óxidos de la
misma.
Cuadro 7. Índices de Actividad Resistente (IAR) a 7, 14 y 28 días de edad.
7 días 14 días 28 días
Media(kg/cm2) 338 365 469
control D.E.(kg/cm2) 10.64 9.28 21.38
C.V. 3.1% 2.5% 4.6%
Media(kg/cm2) 320 353 405
pino D.E.(kg/cm2) 19.56 19.58 2.39
C.V. 6.1% 5.5% 0.6%
IAR 94.5% 96.8% 86.5%
Media(kg/cm2) 168 190 199
coco D.E.(kg/cm2) 8.59 15.05 10.53
C.V. 5.1% 7.9% 5.3%
IAR 49.7% 52.1% 42.4%
Figura 10. Resultados de resistencia a compresión.
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Conclusiones
Los resultados de Índice de Actividad
Resistente (IAR) de la ceniza de conchas
de coco indican que ésta tiene bajo
potencial puzolánico, ya que los valores
que se obtuvieron son menores al 75%
de IAR a 7 y 28 días establecido por la
norma ASTM C 618-05, lo cual se
corrobora con los resultados de
composición química. La ceniza de
conchas de coco puede mejorarse con
algún tratamiento, sin embargo, se
encarecería el producto y sería muy
demandante en energía.
La ceniza de hojas de pino muestra un
alto potencial puzolánico, ya que obtuvo
IAR a 7 y 28 días de 94.5% y 86.5%
respectivamente, lo cual también se
corrobora con los resultados de
composición química, por lo tanto ésta
podría utilizarse como adición
puzolánica al cemento Portland.
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo
financiero que otorgó el Instituto
Politécnico Nacional de México
mediante el proyecto clave SIP-2008029.
Uno de los autores agradece a la
COFAA-IPN por la beca asignada y otro
al Programa Institucional de Formación
de Investigadores (PIFI). También se
agradece al Consejo Nacional de Ciencia
y Tecnología (CONACYT) por los
recursos que se otorgaron mediante la
aprobación del proyecto clave SEP-
CONACYT CIENCIA BASICA
P47937-Y, y por la beca nacional nivel
Maestría otorgada a uno de los mismos,
así también a la SEP, DGEST, CSA y
DEPI por la Beca asignada de nivel
Doctorado.
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Recibido: 7 agosto de 2009
Aceptado:
10 diciembre de 2009