LAS CENIZAS DE CSCARA DE ARROZ, ADICIN PUZOLNICA EN

CEMENTO Y CONCRETO

Dra. Rosaura Vsquez A.*; Bach. Patricia Vigil**

*Cementos Pacasmayo S.A.A.; **Universidad de Piura

Resumen Mediante la calcinacin controlada de la cscara de arroz, a baja temperatura (400C), se ha obtenido una ceniza que consiste esencialmente en slice amorfa, con un alto contenido de SiO2 (93%), de gran rea superficial (22600 cm2/g) y que, en consecuencia, posee gran actividad puzolnica. La puzolana artificial desarrollada (ceniza de cscara de arroz), cumple con los requisitos de los ndices de actividad puzolnica a travs de los cuales ha sido evaluada. Todos los cementos Prtland adicionados diseados presentan mayores resistencias a la compresin que el OPC a 3, 7 y 28 das. Los resultados demuestran la factibilidad tcnica de la elaboracin de los cementos Prtland con incorporacin de ceniza de cscara de arroz, con porcentajes de adicin de hasta el 30%. Dada la importante produccin de arroz en el Per, en la zona de influencia de Cementos Pacasmayo S.A.A. se podra contar con 40000 t de ceniza de cscara de arroz/ao. Teniendo en cuenta este volumen, ser viable producir cemento Prtland con adicin de ceniza de cscara de arroz, a escala industrial, en plantas pequeas de cemento como es la Planta de Rioja. 1. INTRODUCCIN En el Per, el cultivo de arroz es uno de los ms importantes en produccin y rea cosechada. En el ao 1999, la produccin de arroz en cscara fue de aproximadamente dos millones de toneladas. Siendo la cscara el 20% del peso total, durante 1999, se acumularon 400000 toneladas de cscara de arroz, el cual es un subproducto voluminoso y contaminante. De haberse obtenido la ceniza de la cscara de arroz, la cual representa el 20% en peso de la cscara, se hubieran tenido disponibles 80000 toneladas de ceniza. La ceniza de cscara de arroz es considerada como una puzolana artificial que puede ser utilizada como una adicin mineral de los cementos Prtland

adicionados y el concreto. El empleo de adiciones minerales activas en la industria del cemento y del concreto es prctica comn que se viene desarrollando aceleradamente en gran parte del mundo, en razn de las regulaciones ambientales y la evolucin del mercado y la normativa internacional. Sera conveniente poder proveer al mercado nacional de productos como el cemento y el concreto con adicin de ceniza de cscara de arroz. Las ventajas de incorporar adiciones involucran aspectos importantes como el ahorro de energa no renovable, la proteccin y conservacin del medio ambiente y la mejora de las propiedades del cemento y el concreto. A estos fines pretende contribuir CEMENTOS PACASMAYO S.A.A. y la UNIVERSIDAD DE PIURA a travs del presente trabajo conjunto de investigacin. 2. FUNDAMENTOS TERICOS El arroz, el trigo y el maz son los cereales de mayor produccin a escala mundial. Los tallos, hojas y cscaras de estos cereales son considerados como residuos y debido a sus grandes volmenes representan un problema para su almacenamiento y manipulacin. Este hecho ha impulsado la investigacin y desarrollo de mtodos para producir energa y productos industriales a partir de estos residuos. Por diversas razones la cscara de arroz, ha llamado la atencin a los investigadores del cemento, sobre todo en los pases productores de arroz, donde la industria del cemento y concreto puede consumir grandes cantidades y resolver el problema de manejo de estos residuos. Aunque la cscara de arroz es un quinto (en peso) del arroz segado y secado, debido a su baja densidad, se acumulan grandes volmenes en los lugares de molienda. Actualmente la produccin anual de arroz en el mundo es aproximadamente 500 millones de toneladas, que originan unos 100 millones de toneladas de cscara y 20 millones de toneladas de ceniza. En la Tabla 1, se muestra que ningn otro residuo vegetal produce tanta ceniza al ser calcinado. 2.1 Cscara de arroz 2.1.1 Descripcin La cscara de arroz, tambin denominada "pajilla", se obtiene del proceso de pilado, en el cual la cscara se separa haciendo pasar el arroz en cscara entre rodillos de jebe, luego de una operacin previa de limpieza.

Tabla l. Cantidad de ceniza producida por distintos cereales

Cosecha Parte de la Planta Ceniza (% en peso) Maiz Hoja 12

Arroz Cscara 20

Arroz Paja 14

Sorgo Hoja 12

Caa de azcar Bagazo 15

Girasol Hoja y Tallo 11

Trigo Hoja 10 Fuente: Mehta, P.K. 11 La cscara de arroz posee una superficie spera y abrasiva, es muy resistente a la degradacin natural y debido a su bajo contenido de protenas no es apropiada para forraje de animales, hechos que dificultan su aprovechamiento econmico. 2.1.2 Propiedades La composicin qumica promedio de la cscara de arroz es la siguiente: Tabla II. Composicin qumica de la cscara de arroz

Componente Frmula Composicin

Celulosa: polmero de glucosa C5H10O5 50%

Lignina: polmero de fenol C7H10O3 30%

Slice: componente primario de ceniza SiO2 20%

Fuente: Mehta, P.K. 11 La lignina y la celulosa presentes en la cscara de arroz pueden ser eliminadas por combustin controlada y en la ceniza queda slo la slice, en forma microporosa. El alto contenido de ceniza y lignina presente en la cscara la descalifica para hacer productos de celulosa. Se cree que la slice en la cscara de arroz existe en forma opalina (una forma amorfa e hidratada de slice). Aparentemente la slice es tomada del suelo y 1 transportada a la planta de arroz como cido monosilcico, el cual llega a concentrarse en las cscaras por evaporacin y finalmente polimeriza a la forma de membrana slico-celulosa. Las caractersticas fsicas de la cscara de arroz se presentan en la Tabla III.

Tabla III. Caractersticas fsicas de la cscara de arroz 2.2 Produccin en el Per La cscara de arroz constituye un subproducto del proceso agroindustrial, con aplicaciones tan reducidas en la actualidad, que en la prctica se le puede considerar como material de desecho. La ms significativa implantacin de la industria arrocera se encuentra en la costa norte, que posee ms del 50% de las instalaciones existentes. La cscara de arroz se comercializa con precios variables segn la zona, el molino y la oportunidad. Actualmente en el Per la cscara de arroz se utiliza como combustible, como aislante trmico para conservar bloques de hielo y como materia prima para la elaboracin del llamado pulitn que es un abrasivo barato para uso domstico. Excepcionalmente se le utiliza como ingrediente en la fabricacin de adobes. La produccin de arroz se ha incrementado en los ltimos aos por el aumento de la superficie dedicada a este cultivo, por la accin de nuevas variedades introducidas y el incremento de la productividad. En la Tabla IV se muestra la produccin de arroz en cscara y la superficie cosechada en los ltimos 10 aos. Tabla IV Produccin de arroz en cscara

Caractersticas g/cm3 Densidad real 0,780 Densidad global sin compactar 0,108 Densidad global compactado 0,143 Fuente: Gonzles de la Cotera, M. .

Ao Superficie cosechada(ha) Produccin de arroz

en cscara (t) 1990 184 758 966 100 1991 158 348 814 200 1992 166 499 892 400 1993 177 527 967 600 1994 239 453 1 401 400 1995 203 196 1 141 600 1996 210 353 1 203 200 1997 238 713 1 459 800 1998 268 571 1 548 800 1999 311 569 1 955 000

2000 (ene.-ago.) 227 265 1 564 470 Fuente :MINAG13

2.3 Ceniza de cscara de arroz 2.3.1 Mtodos de elaboracin La ceniza de cscara de arroz puede ser obtenida a travs de diferentes tcnicas de calcinacin, entre las cuales tenemos: 1. Calcinacin a campo abierto (o en pilas) 2. Calcinacin en hornos (circulares o cuadrados) 3. Calcinacin en lecho fluido. A continuacin se describe brevemente cada una de las tcnicas de calcinacin sealadas: 1. Calcinacin a campo abierto (o en pilas) Es una tcnica sencilla de reduccin de cscara a ceniza. La calcinacin a campo abierto se realiza en recintos circulares de ladrillo de hasta 16m de dimetro, con pilas de cscara de 2,5m de altura. La cscara calcinada es extrada cada cierto tiempo obtenindose una ceniza de color blanco a blanco-negro. Mediante esta tcnica de calcinacin la temperatura no puede ser controlada. Asimismo, debido a la alta temperatura alcanzada y a la formacin resultante de estructuras silceas altamente cristalinas (cristobalita y tridimita), la calcinacin a campo abierto es asociada con puzolanas de bajo ndice de reactividad. 2. Calcinacin en hornos (circulares o cuadrados) Esta tcnica ha sido utilizada en plantas piloto e industriales en la India, Pakistn y Nepal. Los hornos tienen paredes de ladrillos los cuales se disponen alternadamente de tal manera que se permita el acceso del aire hacia el interior (ver Fig. 1). La chimenea se extiende hasta la base del horno y est elaborada con una malla fina de alambre que permite que el aire fluya y evita el ingreso de ceniza. Asimismo, las paredes interiores estn revestidas con una malla de alambre con la finalidad de retener la cscara, la cual se carga por la cubierta del horno y se descarga por la base. Esta tcnica de calcinacin produce una ceniza de color blanco, altamente activa, de naturaleza amorfa y con presencia minoritaria de cuarzo cristalino. 3. Calcinacin en lecho fluido En la Fig. 2 se muestra el esquema de un horno de lecho fluido.

La cmara de combustin es de acero inoxidable y para el lecho fluidizado (partculas no combustibles) se emplea arena con tamao de partcula de 297 a 590 m. El aire es suministrado a travs de un plato perforado ubicado en la base de la cmara de combustin. El lecho fluido es precalentado a 500 G por medio de un dispositivo elctrico y posteriormente se inicia la alimentacin de la cscara a travs de un alimentador de tornillo. Una vez obtenida la ceniza cesa el calentamiento por medio del dispositivo elctrico. La temperatura de combustin que es monitoreada en el lecho fluido se controla mediante la velocidad de alimentacin de la cscara de arroz. El suministro de aire se fija a una

velocidad de 15 cm/s. El tiempo de retencin de la ceniza en la cmara de combustin es de slo unos pocos segundos y posteriormente sta es colectada a travs de un cicln. La calcinacin controlada de la cscara de arroz por medio de este tipo de calcinador proporciona una ceniza consistente en slice amorfa con un alto contenido de SiO2 y una elevada rea superficial. La actividad puzolnica de la ceniza es excelente y proporciona una buena resistencia a la compresin. Por otra parte, la cscara de arroz representa una fuente valiosa de energa. El valor energtico de la cscara de arroz es aproximadamente 14 MJ/kg lo cual significa que una tonelada de cscara de arroz es equivalente a 0,5 toneladas de carbn 0,35 toneladas de petrleo. En el proceso Mehta-Pitt se aprovecha el calor de la combustin de la cscara de arroz, en un horno de lecho fluido, para producir vapor o electricidad. 2.3.2 Descomposicin de la cscara de arroz La descomposicin de la cscara de arroz se realiza en cuatro etapas: 1. Liberacin del agua adsorbida a temperaturas menores de 100 C, con una prdida de peso de 4 a 8%. 2. Liberacin de materias voltiles como la lignina y la celulosa, las cuales se descomponen entre 225 a 500C y 325 a 375C, respectivamente. Las materias voltiles perceptibles se liberan entre 250 a 350C con evolucin considerable de humos. 3. Calcinacin del carbn a temperaturas superiores a 350C. Uno de los problemas en la oxidacin del carbn es la oxidacin de la capa superficial de la cscara que no permite oxidar con facilidad la parte central del volumen calcinado a menos que el aire pase a travs de la superficie. Aproximadamente el 45% de la prdida de peso ocurre en la segunda etapa mientras que la prdida de peso restante sucede en esta tercera etapa. 4. Cristalizacin de la slice (amorfa) de la ceniza a temperaturas superiores a 700 C, con formacin de cristobalita y tridimita. 2.4 Cemento y concreto con adicin de ceniza de cscara de arroz 2.4.1 Reacciones de hidratacin En los cementos y concretos con adicin de ceniza de cscara de arroz, la slice amorfa de la ceniza reacciona con el hidrxido de calcio liberado en la hidratacin del cemento para formar silicatos de calcio hidratados del tipo CSHI y CSHII, principales compuestos responsables de la resistencia.

La reaccin se ilustra como: Ca(OH)2 + SiO2 = CSHI + CSHII Donde: CSHI = CaO0,8-1,5SiO2.(H2O)1-2,5 CSHII =CaO1,5-2,0,SiO2.2(H2O) 2.4.2 Propiedades a) Resistencia a la compresin La adicin de cenizas de cscara de arroz, con un alto contenido de slice amorfa, contribuye a la resistencia del cemento y el concreto a edades tempranas y en un periodo intermedio, pero tiene relativamente poco efecto a largo plazo. Con excepcin de la ceniza de cscara de arroz ningn otro material puzolnico, incluyendo la microslice (silica fume), tiene la capacidad de contribuir a la resistencia del cemento a edades tempranas de 1 a 3 das. Por lo tanto, se puede aprovechar el carcter altamente puzolnico de la ceniza de cscara de arroz para contrarrestar las prdidas en las resistencias tempranas que son usualmente asociadas con la incorporacin de otros tipos de puzolanas. b) Resistencia qumica La adicin de ceniza de cscara de arroz mejora en gran medida la durabilidad del cemento y el concreto. Se ha demostrado que la ceniza de cscara de arroz ayuda a reducir sustancialmente la prdida de masa del concreto expuesto en una solucin de cido clorhdrico, y disminuye considerablemente la expansin debido al ataque de sulfatos y a la reaccin lcali-slice. 3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1 Cscara de arroz. Previamente a los ensayos la muestra fue homogeneizada y reducida mediante cuarteos sucesivos. 3.1.1 Humedad Para determinar la humedad de la cscara de arroz, esta se seca en una estufa a 80C, hasta peso constante.

3.2 Obtencin de la puzolana artificial La puzolana artificial se obtuvo a partir de la calcinacin controlada de la cara de arroz. Para obtener la ceniza de cscara de arroz se consideraron las siguientes variables: 1. Temperatura de calcinacin. 2. Tiempo de calcinacin. 3. Tamao de partcula. En la Fig. 3, se presenta el diagrama de flujo del proceso de obtencin de la ceniza de cscara de arroz.

Cscara de arroz

Homogeneizacin

Calcinacin

Puzolana artificial: Ceniza de cscara de arroz

Molienda y tamizado

Ceniza molida y tamizada

Control de calidad

Figura 3. Obtencin de la ceniza de cscara de arroz

3.2.1 Calcinacin La cscara de arroz previamente secada (80C), se calcina hasta peso constante a las siguientes temperaturas: 400, 500, 600, 700, 800 y 900 C. Durante este proceso se obtiene una ceniza cuya apariencia (color), vara de acuerdo a la temperatura de calcinacin. 3.2.2 Molienda y tamizado La molienda se realiz de forma manual, utilizndose un mortero de porcelana. Las cenizas de la cscara de arroz se muelen hasta que el retenido en malla (45 m) sea el 25% del total de la muestra. 3.3 Control de calidad de la puzolana artificial Los parmetros a evaluar con el fin de determinar la ceniza de cscara de arroz ptima fueron el porcentaje de carbn, el ndice de actividad de la slice y el anlisis por difraccin de rayos X. 3.3.1 Porcentaje de carbn El contenido de carbn se estima como la prdida por calcinacin a la temperatura de 1000 C. El carbn es la cantidad de materia orgnica residual que posee la ceniza y se elimina calcinndola a muy altas temperaturas. Su presencia influye en la composicin qumica de la ceniza, pues a mayor contenido de carbn corresponde un menor contenido de slice. 3.3.2 ndice de actividad de la slice El ndice de actividad de la slice ha sido definido por Metha como el porcentaje de slice aprovechable que se disuelve en un exceso de NaOH 0,5N, en ebullicin, durante una extraccin de tres minutos. Este parmetro es una medida del grado amorfo de la slice en la ceniza obtenida. La slice disuelta se cuantifica posteriormente mediante un mtodo espectrofotomtrico. 3.3.3 Anlisis qumico completo La determinacin de la slice total se realiz segn la norma ASTM C114 - 99, empleando una mezcla fundente de carbonato de litio y cido brico. Los xidos de aluminio, calcio, fierro, magnesio, potasio y sodio se determinaron por la tcnica instrumental de espectrofotometra de absorcin atmica.

3.3.4 Difraccin de rayos X Proporciona el anlisis mineralgico cualitativo del material indicando la presencia de slice amorfa o slice cristalina en la ceniza de cscara de arroz. 3.4 Evaluacin de la puzolana artificial ptima A la ceniza de cscara de arroz ptima se le determin la densidad real, la superficie especfica (Blaine) y el retenido en malla 325, previo a la determinacin de su actividad puzolnica. 3.4.1 Actividad puzolnica La actividad puzolnica de la puzolana artificial se evalu mediante los siguientes mtodos:

1. ndice de actividad puzolnica por el mtodo de la cal (NTP 330.055:1999).

2. ndice de actividad puzolnica utilizando cemento Prtland (NTP 334.066:1999).

3. ndice de actividad puzolnica utilizando cemento Prtland (ASTM C311:1999).

4. ndice de actividad puzolnica acelerada con cemento Prtland (NTP 334.087: 1999).

3.5 Diseo del cemento Prtland con adicin de la puzolana artificial El clnker y el yeso empleado en la elaboracin del cemento proceden de la planta de Rioja. . Para el diseo del cemento Prtland adicionado se evalu la incorporacin de los siguientes porcentajes de la ceniza de cscara de arroz: 0%, 10%, 15%, 20% y 30%. El cemento Prtland adicionado se moli con la siguiente granulometra: 12% de retenido en malla 325. La molienda se realiz en un molino planetario, de laboratorio, que semeja en gran medida las condiciones de molienda en planta. 3.5.1 Propiedades fsicas Las propiedades fsicas evaluadas fueron densidad, superficie especfica (Blaine), retenido en malla 325 y la resistencia a la compresin. Para la determinacin de la resistencia a la compresin del cemento Prtland adicionado se fij la fluidez a un valor equivalente a la fluidez del OPC (0% de adicin) 5%.

3.5.2 Ensayo de puzolanicidad El ensayo de puzolanicidad nos da idea de la reactividad qumica del material, es decir del grado de reaccin entre la puzolana y el hidrxido, de calcio liberado en la hidratacin del cemento Prtland. En el mtodo desarrollado por Fratini (UNE-EN 196-5), la puzolanicidad es comprobada comparando la cantidad de hidrxido de calcio que contiene la disolucin acuosa en contacto con el cemento hidratado, con la: cantidad de hidrxido de calcio capaz de saturar un medio de la misma alcalinidad. El ensayo se considera positivo si la concentracin de hidrxido de calcio en disolucin es inferior a la concentracin de saturacin. 4. RESULTADOS Y DISCUSIN La materia prima utilizada proviene de la regin norte del Per. El arroz procede del valle de Jequetepeque y la cscara de arroz fue colectada en un molino de la ciudad de Pacasmayo. Se utiliz un total de 50 kg de cscara de arroz que fueron adecuadamente homogeneizados y reducidos mediante cuarteas sucesivos. El porcentaje de humedad de la cscara de arroz es del 8% y fue obtenido secando la cscara a 80 C por espacio de 12 horas. 4.1 Control de calidad de la puzolana artificial 4.1.1 Prdidas por calcinacin y porcentaje de carbn En la Tabla V, se presentan el porcentaje de las prdidas por calcinacin de la cscara de arroz a diferentes temperaturas y el porcentaje de carbn presente en las cenizas obtenidas. De los resultados obtenidos se observa que conforme se incrementa la temperatura las prdidas por calcinacin de la cscara de arroz son ligeramente mayores y que el tiempo de calcinacin requerido disminuye. Por otra parte, el porcentaje de carbn presente en las cenizas disminuye a medida que aumenta la temperatura a la que fue calcinada dicha ceniza. El color de la ceniza calcinada cambia ligeramente de acuerdo a la temperatura de calcinacin, siendo este cambio ms apreciable entre 500 y 600C. La ceniza calcinada en el rango de 350 a 500C tiene un color crema mientras que aquella calcinada entre 600 y 900C toma una coloracin griscea aprecindose partculas negras y blancas.

Tabla V Prdidas por calcinacin de la cscara de arroz y porcentaje de carbn de las cenizas 4.1.2 ndice de actividad de la slice El ndice de actividad de la slice (SAl) de las cenizas de cscara de arroz se determina como una medida del grado amorfo de la slice en la ceniza obtenida. Cuanto ms amorfa sea la slice ms reactiva ser la ceniza obtenida. El mximo porcentaje de slice reactiva obtenida (43,05%) corresponde a la ceniza obtenida a 400C y el valor mnimo (1,63%) corresponde a la ceniza obtenida a 900C (ver Fig. 4). El grado de slice reactiva depende del tipo de estructura que posee la slice contenida en la ceniza de cscara de arroz y sta a su vez depende de la temperatura de calcinacin. En razn de los resultados obtenidos se puede afirmar que la ceniza ms reactiva y amorfa es aquella obtenida a 400C. Por lo tanto podemos considerar la temperatura de 400C como la temperatura ptima de calcinacin. Con el objetivo de afinar la temperatura de calcinacin y en previsin a las variaciones de temperatura que eventualmente se podran tener a escala industrial, se evalu el ndice de actividad de la slice en las cenizas calcinadas a 50C por encima (450C) y por debajo (350C) de la temperatura ptima de calcinacin inicialmente encontrada. El porcentaje de slice reactiva de la ceniza obtenida a 350C resulto ser mayor que la encontrada a 400C (temperatura ptima), y el de la ceniza obtenida a 450C resulto menor que sta. Asimismo, a las cenizas obtenidas a 350 y 450C se les evalu el porcentaje de carbn y las prdidas por calcinacin. La ceniza obtenida a 350C presenta el mayor porcentaje de slice reactiva pero posee tambin el mayor porcentaje de carbn.

Temperatura Tiempo (h) Prdida por calcinacin (%) Carbn (%)

350 4 76.68 5.70 400 2 77.13 4.73 450 2 77.35 4.31 500 2 77.41 2.55 600 1.5 77.42 2.30 700 1.5 77.57 1.78 800 1 77.74 0.75 900 1 77.76 0.39

Adems, es importante resaltar el hecho de que el consumo energtico es mucho mayor cuando la ceniza se calcina a 350 C, ya que el tiempo necesario requerido para completar la operacin de calcinacin es el doble que cuando se efecta a 400 C.

4.1.3 Composicin qumica A la ceniza ptima (calcinada a 400C) y a las cenizas obtenidas a 350 y 900C se les determin su composicin qumica obtenindose un contenido de slice del 91 al 94%. El segundo componente, en orden de importancia, es el potasio (K2O = 3% aproximadamente). El contenido de xido de potasio vara dependiendo del tipo y la cantidad de fertilizantes empleados en el cultivo del arroz. 4.1.4 Difractogramas de rayos X En la Fig. 5, se presentan los difractogramas de rayos X de las cenizas de cscara de arroz obtenidas a 400, 500, 600, 700, 800 y 900 C. En los difractogramas de rayos X de las cenizas de cscara de arroz obtenidas a las temperaturas de 400 a 700C, no se observa la presencia de picos de difraccin definidos, lo cual implica que las muestras estn constituidas por slice amorfa.

Tabla VI Composicin qumica de las cenizas de cscara de arroz En las muestras obtenidas a 800 y 900C se observan picos de difraccin correspondientes a la presencia de slice cristalina, no reactiva. 4.2 Evaluacin de la puzolana artificial ptima En la Tabla VII, se presentan las caractersticas fsicas de la ceniza de cscara de arroz ptima. Tabla VII. Caractersticas fsicas de la puzolana artificial La ceniza de cscara de arroz posee una baja densidad, menor que la de un cemento Prtland cuyo valor es de 3,0 a 3,2 g/cm3. Por otra parte, la ceniza de cscara de arroz presenta una gran rea superficial (22600 cm2/g) en razn de su estructura celular, lo cual es ndice de que se trata de una puzolana bastante activa. 4.2.1 Actividad puzolnica En la Tabla VIII, a continuacin, se muestran los resultados de los ensayos de actividad puzolnica:

Composicin (%)

Ceniza calcinada a:

350C 400C 900C Al2O3 0.08 0.07 0.20 CaO 0.20 0.23 0.26

Fe2O3 0.09 0.08 0.08 MgO 0.28 0.28 0.32 K2O 3.09 3.08 2.80

Na2O 0.29 0.29 0.39 SiO2 91.78 92.92 93.80

Carbn 5.69 4.72 0.39

MUESTRA Densidad (g/cm3) Blaine (cm2/g) R M 325 (%)

Ceniza de cscara de arroz 2.16 22 600 14,58

Tabla VIII ndices de actividad puzolnica de la puzolana artificial

La ceniza de cscara de arroz cumple holgadamente con el requisito del ndice de actividad puzolnica por el mtodo de la cal. Las diferencias en los valores obtenidos del ndice de actividad puzolnica por el mtodo del cemento (NTP 334.066 y ASTM C 311), se deben bsicamente a lo siguiente: - Segn la NTP 334.066, la muestra a ensayar contiene un 35% en

volumen de puzolana; mientras que de a cuerdo a la norma ASTM C311, la muestra de ensayo contiene solo un 20% en peso de puzolana.

- En el ensayo de la NTP 334.066, se emplea una mayor cantidad de

agua de mezcla con el fin de conseguir una fluidez mayor, del orden del 110 5%.

De los resultados del ndice de actividad puzolnica por el mtodo del cemento se deduce que la ceniza de cscara de arroz desarrolla la mayor parte de su actividad a edades tempranas, siendo por tanto escaso su aporte en las resistencias a largo plazo. La ceniza de cscara de arroz cumple tambin con el requisito del ndice de actividad puzolnica acelerada con cemento Prtland. Este ensayo corresponde a la NTP 334.087:1999: CEMENTOS. Adiciones minerales en pastas, morteros y concretos; microslice. Especificaciones. Se ha empleado esta norma en razn que la ceniza de cscara de arroz es una puzolana artificial que, con respeto a su aporte a las resistencias de los cementos adicionados, se comporta de manera similar a la microslice.

Ensayo Resultado Requisito (min)

ndice de actividad puzolnica Mtodo de la cal (NTP 334.055) 1007 psi 800 psi

ndice de actividad puzolnica Mtodo del cemento 7d (NTP 334.066:1999) 28 d

75,51% 67,47%

---

75% ndice de actividad puzolnica Mtodo del cemento 7 d (ASTM C 311:1999) 28 d

95,79% 98,42%

75% 75%

ndice de actividad puzolnica acelerada, con cemento Prtland (NTP 334.0087:1999) 7 d

95,01%

85%

4.3 Diseo del cemento Prtland con adicin de la puzolana artificial 4.3.1 Propiedades fsicas En la Tabla IX se recogen los resultados de los ensayos fsicos del cemento Prtland adicionado al cual se le incorpor los siguientes porcentajes de la ceniza de cscara de arroz: 0%,10%,15%,20% y 30%. La superficie especfica del cemento Prtland adicionado es mayor en cuanto mayor es el porcentaje de adicin de la ceniza de cscara de arroz, en razn de la mayor presencia de la adicin que aporta una gran rea superficial. De igual modo, la densidad del cemento Prtland adicionado es menor en cuanto mayor es el porcentaje de adicin, debido a la menor densidad de la ceniza de cscara de arroz. Tabla IX. Propiedades fsicas del cemento Prtland adicionado Ensayos fsicos Adicin

0% Adicin

10% Adicin

15% Adicin

20% Adicin

30% Sup. Especfica (Blaine), cm2/g 3 560 5 990 6 810 7 780 9 550

Densidad, g/cm3 3.13 2.97 2.90 2.84 2.70 Retenido M 325, % 12.26 11.80 11.93 11.39 12.25 Relacin a/c 0.484 0.500 0.516 0.532 0.560 Fluidez, % 83.4 80.7 85.5 86.2 80.3 Resistencia a 3 das, kg/cm2 257 277 257 260 279

Resistencia a 7 das, kg/cm2 297 364 362 363 347

Resistencia a 28 das, kg/cm2 350 416 408 405 381

En el diseo del cemento Prtland adicionado se fij la granulometra a un valor del 12% de retenido en malla 325, aproximadamente. Para la determinacin de la resistencia a la compresin del cemento Prtland adicionado se fijo la fluidez a un valor equivalente a la fluidez del OPC (0% de adicin) 5%. Es decir la fluidez se fij a un valor de 83,4% 5%. A pesar de haberse fijado la fluidez a un valor determinado, la relacin a/c es tanto mayor cuando mayor es el porcentaje de adicin. Esto demuestra la tendencia a demandar ms agua de la ceniza de cscara de arroz. Este comportamiento se debe principalmente a la gran rea superficial de este tipo de adicin. Con respecto a la resistencia a la compresin, los cementos Prtland adicionados a todas las edades (3, 7 y 28 das) y para todos los porcentajes de adicin (10%, 15%, 20% y 30%), presentan mayores resistencias que el OPC.

La resistencia de los cementos Prtland adicionados a 3 das es hasta 8,6% mayor que la del OPC, a 7 das es hasta 22,6% mayor que la del OPC y a 28 das es hasta 18,9% mayor que la del orco Esto demuestra que la contribucin de la ceniza de cscara de arroz a las resistencias no slo es a los 3 y 7 das, sino tambin contribuye con la resistencia del cemento a los 28 das. Los resultados contradicen lo sealado en las referencias bibliogrficas y lo que se predeca a partir de los resultados del ndice de actividad puzolnica, en cuanto al escaso aporte de la ceniza de cscara de arroz a las resistencias a largo plazo. Los cementos Prtland adicionados elaborados presentan mayores resistencias a la compresin que el OPC, a pesar que demandan ms agua conforme se incrementa el porcentaje de adicin. Los resultados demuestran la viabilidad de la elaboracin de los cementos Prtland adicionados con ceniza de cscara de arroz con porcentajes de adicin de hasta el 30 %. 4.3.2 Ensayo de puzolanicidad A los cementos Prtland adicionados con 10%, 15%, 20% y 30% de adicin de ceniza de cscara de arroz, se les realiz el ensayo de puzolanicidad. Los resultados se muestran en la siguiente tabla: Tabla X. Ensayo de puzolanicidad (UNE-EN 196-5)

Ensayo de puzolanicidad

Adicin 10%

Adicin 15%

Adicin 20%

Adicin 30%

Iones (OH)-, mmol/L 38.0 38.7 37.8 17.2

xido de calcio, mmol/L 10.3 9.6 8.6 2.3

Puzolanicidad 8 das Cumple Cumple Cumple Cumple

Todos los cementos Prtland adicionados elaborados cumplen ya a los 8 das con el ensayo de puzolanicidad. Los resultados del ensayo de puzolanicidad demuestran que la puzolana artificial elaborada posee una gran actividad puzolnica. Incluso para solo un 10% de adicin, la slice amorfa de la ceniza de cscara de arroz es suficiente para fijar qumicamente el hidrxido de calcio liberado en la hidratacin del cemento, aportando en consecuencia mayores resistencias al correspondiente I cemento Prtland adicionado. Se puede aprovechar el carcter altamente puzolnico de la ceniza de cscara de arroz para contrarrestar las prdidas en las resistencias tempranas de los cementos y concretos con adicin de puzolanas naturales.

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Se ha desarrollado una puzolana artificial, a nivel laboratorio, a partir de la cscara de arroz. La cscara de arroz materia prima del presente estudio contiene de 22 a 23% de ceniza. Las condiciones de calcinacin evaluadas han sido el tiempo y la temperatura de calcinacin. Se obtuvieron cenizas de las cscaras calcinadas a las temperaturas de 400, 500, 600, 700, 800 y 900C. Los criterios para elegir la ceniza ms adecuada fueron el ndice de actividad de la slice, el porcentaje de carbn y el anlisis por difraccin de rayos X. La ceniza ptima fue la obtenida a la temperatura de 400C por estar bsicamente constituida de slice amorfa, reactiva. La puzolana artificial desarrollada (ceniza de cscara de arroz), cumple con los requisitos de los ndices de actividad puzolnica a travs de los cuales ha sido evaluada. Los cementos Prtland adicionados diseados presentan mayores resistencias a la compresin que el OPC, a todas las edades (3, 7 y 28 das) y para todos los porcentajes de adicin (10%, 15%, 20% y 30%). Dichos resultados demuestran la viabilidad de la elaboracin de los cementos Prtland con incorporacin de ceniza de cscara de arroz, con porcentajes de adicin de hasta el 30%. En el Per, la produccin de arroz en cscara en 1999 fue de aproximadamente dos millones de toneladas, lo que significa 400 000 t de cscara de arroz disponibles que a su vez representaran 80 000 t de ceniza de cscara de arroz como materia prima para la elaboracin de cemento Prtland adicionado. De toda esta produccin el 50%, esto es 40 000 t de ceniza de cscara de arroz, pertenecen a la zona de influencia de Cementos Pacasmayo S.A.A. La produccin de cemento Prtland con adicin de ceniza de cscara de arroz es factible de realizarse a escala industrial en plantas pequeas de cemento como es la Planta de Rioja. Para la elaboracin de la ceniza de cscara de arroz se recomienda emplear una adecuada tcnica de calcinacin que facilite una combustin controlada para obtener la ceniza requerida. La temperatura de calcinacin es un parmetro fijo que debe controlarse ya que una variacin de temperatura de 50 C vara las caractersticas de la ceniza. Se deber realizar un estudio econmico tomando en cuenta la disponibilidad de cscara presente en nuestro pas. De antemano es ventajoso conocer que

la cscara de arroz es un subproducto contaminante, de bajo costo, que abunda en la zona norte y en la regin amaznica. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS 1. Boateng, A. y Skeete, D.: "Incineration of rice huIl for use as a cementicious material: The Guyana experience". Cement and concrete research. Vol 20, pp. 795-802, 1990. 2. Frigione, G.: "Role of blended cements in optimization of energy in cement manufacture". Progress in cement and concrete, Ghosh, S.N.;Yadav, S.N.; Energy conservation and environmental control in cement industry. 1996, Vol 2, parte 1, pp. 182-233. Akademia Books International. 3. Gonzles de la Cotera, M.: "Morteros ligeros de cscara de arroz". IV Congreso Nacional de Ingeniera Civil. Colegio de Ingenieros del Per - Filial Lambayeque, Captulo de Ingenieros Civiles. Noviembre 1982, pp 1-10. 4. Hara, N; Yamada, H.; Inoue, K.; Inoue, N; Tsunematsu, S. y Noma, H. "Hydrothermal reactivity of rice husk ash and its use for calcium silicate products". Proceeding 3th International Conference Trondheim, Norway 1989. Fly ash, silica fume, slag and natural pozzolans in concrete. Vol 1, SP 114-23, pp 499-516. 5. Hara, N.; Noma, H.; Honma, S.; Sarnrejprasong, S.; Uparisajkul, S.: "Suitability of rice husk ash obtained by fluidized-bed combustion for blended cement". Proceedings 9th International Congress on the Chemistry of Cement, New Delhi, India, 1992. Vol. III. Communication papers -Theme II-A: Advances in Prtland and blended cements, pp. 72-78. 6. Hemero N, E. Y Baragao, C., J.R.: "Cementos con adiciones activas". Seccin cemento. Cemento Hormign. Marzo 1988. N 652, pp180-217. 7. Kumar, A.: "Rice husk ash based cements". Progress in cement and concrete. Mineral admixtures in cement and concrete. New Delhi 1993, vol IV, pp. 342-367. Ed. Ghosh,S.N.;Sarkar, S.L; Harsh, S. 8. Malhotra, V.M.: "Fly ash, slag, silica fume and rice husk ash in concrete: A review". Concrete International. April 1993, vol 15, N 4, pp 23-28. 9. Mazlurn, F. y Uyan, M.:"Strength of mortar made with cement containing rice husk ash and cured in sodium sulphate solution". Proceedings 41 International Conference Istambul, Turkey, May 1992. Fly ash, silica fume, slag, and natural pozzolans in concrete. Vol 1, SP 132-29, pp 513-531. Ed. Malhotra, V.M.

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