Pavimentos
Datos sobre Cenizas Volantes para Ingenieros de Carreteras
Capítulo 1-Cenizas Volantes-Un Material de Ingeniería
- ¿Por qué las Cenizas volantes?
- Producción
- Gestión
- Características
- Calidad de Ceniza de la Mosca
¿por Qué las Cenizas volantes?
¿Qué son las cenizas volantes? Las cenizas volantes son los residuos finamente divididos que resultan de la combustión de carbón pulverizado y son transportados desde la cámara de combustión por los gases de escape. En 2001 se produjeron más de 61 millones de toneladas métricas (68 millones de toneladas) de cenizas volantes.
¿De dónde vienen las cenizas volantes? Las cenizas volantes se producen en plantas eléctricas y de generación de vapor alimentadas con carbón. Por lo general, el carbón se pulveriza y se sopla con aire en la cámara de combustión de la caldera, donde se enciende inmediatamente, generando calor y produciendo un residuo mineral fundido. Los tubos de caldera extraen calor de la caldera, enfrían el gas de combustión y hacen que los residuos minerales fundidos se endurezcan y formen cenizas. Las partículas de ceniza gruesa, denominadas cenizas de fondo o escoria, caen al fondo de la cámara de combustión, mientras que las partículas de ceniza fina más ligeras, denominadas cenizas volantes, permanecen suspendidas en el gas de combustión. Antes de agotar los gases de combustión, las cenizas volantes se eliminan mediante dispositivos de control de emisiones de partículas, como precipitadores electrostáticos o cámaras de filtro de tela (véase la Figura 1-1).
¿Dónde se utilizan las cenizas volantes? Actualmente, más de 20 millones de toneladas métricas (22 millones de toneladas) de cenizas volantes se utilizan anualmente en una variedad de aplicaciones de ingeniería. Las aplicaciones típicas de ingeniería de carreteras incluyen: hormigón con cemento portland (PCC), estabilización de suelos y bases de carreteras, rellenos fluidos, lechadas, relleno estructural y relleno de asfalto.
¿Qué hace que las cenizas volantes sean útiles? Las cenizas volantes se usan más comúnmente como puzolana en aplicaciones de PCC. Las puzolanas son materiales silíceos o silíceos y aluminosos, que en una forma finamente dividida y en presencia de agua, reaccionan con hidróxido de calcio a temperaturas ordinarias para producir compuestos cementosos.
La forma esférica única y la distribución del tamaño de partícula de las cenizas volantes lo convierten en un buen relleno mineral en aplicaciones de asfalto de mezcla caliente (HMA) y mejora la fluidez del relleno y la lechada fluidos. La consistencia y abundancia de cenizas volantes en muchas áreas presentan oportunidades únicas para su uso en rellenos estructurales y otras aplicaciones en carreteras.
Beneficios ambientales. La utilización de cenizas volantes, especialmente en concreto, tiene importantes beneficios ambientales, entre los que se incluyen:: (1) aumentar la vida útil de las carreteras y estructuras de concreto mejorando la durabilidad del concreto, (2) reducción neta del uso de energía y de las emisiones de gases de efecto invernadero y otras emisiones adversas a la atmósfera cuando se utilizan cenizas volantes para reemplazar o desplazar el cemento manufacturado, (3) reducción de la cantidad de productos de combustión de carbón que deben eliminarse en vertederos, y (4) conservación de otros recursos y materiales naturales.
Figura 1-1: El método de transferencia de cenizas volantes puede ser seco, húmedo o ambos.
Producción
Las cenizas volantes se producen a partir de la combustión de carbón en calderas eléctricas o industriales. Hay cuatro tipos básicos de calderas alimentadas con carbón: calderas de carbón pulverizado (PC), de rejilla móvil o de fogón, ciclón y de combustión en lecho fluidizado (FBC). La caldera de PC es la más utilizada, especialmente para grandes unidades generadoras eléctricas. Las otras calderas son más comunes en instalaciones industriales o de cogeneración. Las cenizas volantes producidas por calderas de FBC no se consideran en este documento. Las cenizas volantes se capturan de los gases de combustión utilizando precipitadores electrostáticos (ESP) o en colectores de tela filtrante, comúnmente conocidos como cámaras de filtros. Las características físicas y químicas de las cenizas volantes varían según los métodos de combustión, la fuente de carbón y la forma de las partículas.
| Millones de Toneladas Métricas | Millones de Toneladas Cortas | el por Ciento | |
|---|---|---|---|
| Producidos | 61.84 | 68.12 | 100.0 |
| Usado | 19.98 | 22.00 | 32.3 |
Como se muestra en el Cuadro 1-1, de los 62 millones de toneladas métricas (68 millones de toneladas) de cenizas volantes producidas en 2001, solo se utilizaron 20 millones de toneladas métricas (22 millones de toneladas), o el 32 por ciento de la producción total. El siguiente es un desglose de los usos de cenizas volantes, gran parte de los cuales se utilizan en la industria del transporte.
| Millones de Toneladas Métricas | Millones de Toneladas Cortas | el por Ciento | |
|---|---|---|---|
| Cemento/Hormigón | 12.16 | 13.40 | 60.9 |
| Fluida de Relleno | 0.73 | 0.80 | 3.7 |
| Estructurales Llena | 2.91 | 3.21 | 14.6 |
| Carretera de la Base y Sub-base | 0.93 | 1.02 | 4.7 |
| Suelo Modificación | 0.67 | 0.74 | 3.4 |
| Mineral Filler | 0.10 | 0.11 | 0.5 |
| Mining Applications | 0.74 | 0.82 | 3.7 |
| Waste Stabilization /Solidification | 1.31 | 1.44 | 6.3 |
| Agriculture | 0.02 | 0.02 | 0.1 |
| Miscellaneous/Other | 0.41 | 0.45 | 2.1 |
| Totals | 19.98 | 22.00 | 100 |
Manipulación
La ceniza volante recogida se transporta típicamente neumáticamente desde las tolvas de tejido de filtro o ESP a silos de almacenamiento donde se mantiene seca hasta su utilización o procesamiento posterior, o a un sistema donde la ceniza seca se mezcla con agua y se transporta (sluiced) a un estanque de almacenamiento en el lugar.
La ceniza recolectada en seco normalmente se almacena y manipula utilizando equipos y procedimientos similares a los utilizados para manipular cemento portland:
- Las cenizas volantes se almacenan en silos, cúpulas y otras instalaciones de almacenamiento a granel
- Las cenizas volantes se pueden transferir mediante toboganes de aire, transportadores de cangilones y transportadores de tornillo, o se pueden transportar neumáticamente a través de tuberías en condiciones de presión positiva o negativa
- Las cenizas volantes se transportan a los mercados en camiones cisterna a granel, vagones de ferrocarril y barcazas/barcos
- Las cenizas volantes se pueden empaquetar en súper sacos o bolsas más pequeñas para aplicaciones especiales
también se puede humedecer con agua y agentes humectantes, cuando corresponda, utilizando equipos especializados (acondicionado) y transportado en volquetes cubiertos para aplicaciones especiales, como rellenos estructurales. Las cenizas volantes con aire acondicionado se pueden almacenar en los lugares de trabajo. El material almacenado expuesto debe mantenerse húmedo o cubierto con lonas, plástico o materiales equivalentes para evitar la emisión de polvo.
Características
Tamaño y forma. Las cenizas volantes son típicamente más finas que el cemento portland y la cal. Las cenizas volantes consisten en partículas del tamaño de un limo que generalmente son esféricas, con un tamaño que varía entre 10 y 100 micras (Figura 1-2). Estas pequeñas esferas de vidrio mejoran la fluidez y la trabajabilidad del hormigón fresco. La finura es una de las propiedades importantes que contribuyen a la reactividad puzolánica de las cenizas volantes.
Figura 1-2: Partículas de cenizas volantes con aumento de 2.000 veces.
Química. Las cenizas volantes consisten principalmente en óxidos de silicio, aluminio, hierro y calcio. El magnesio, el potasio, el sodio, el titanio y el azufre también están presentes en menor grado. Cuando se utiliza como mezcla mineral en hormigón, las cenizas volantes se clasifican como cenizas de clase C o de clase F en función de su composición química. American Association of State Highway Transportation Officials (AASHTO) M 295 define la composición química de las cenizas volantes de Clase C y Clase F.
Las cenizas de clase C generalmente se derivan de carbones subbituminosos y consisten principalmente en vidrio de sulfato de aluminio y calcio, así como cuarzo, aluminato tricálcico y cal libre (CaO). La ceniza de clase C también se conoce como ceniza volante con alto contenido de calcio porque normalmente contiene más del 20 por ciento de CaO.
Las cenizas de clase F se derivan típicamente de carbones bituminosos y antracitas y consisten principalmente en un vidrio de alumino-silicato, con cuarzo, mullita y magnetita también presentes. La clase F, o cenizas volantes bajas en calcio, tiene menos del 10 por ciento de CaO.
| Compuestos | Cenizas de la Clase F | Cenizas volantes Clase C | de Cemento Portland |
|---|---|---|---|
| SiO2 | 55 | 40 | 23 |
| Al203 | 26 | 17 | 4 |
| Fe2O3 | 7 | 6 | 2 |
| CaO (Cal) | 9 | 24 | 64 |
| MgO | 2 | 5 | 2 |
| SO3 | 1 | 3 | 2 |
Color. Las cenizas volantes pueden ser de color tostado a gris oscuro, dependiendo de sus componentes químicos y minerales. Los colores tostados y claros se asocian típicamente con un alto contenido de cal. Un color marrón se asocia típicamente con el contenido de hierro. Un color gris oscuro a negro se atribuye típicamente a un elevado contenido de carbono sin quemar. El color de las cenizas volantes suele ser muy consistente para cada planta de energía y fuente de carbón.
Figura 1-3: Colores típicos de ceniza
Calidad de cenizas volantes
Los requisitos de calidad para las cenizas volantes varían según el uso previsto. La calidad de las cenizas volantes se ve afectada por las características del combustible (carbón), la combustión conjunta de combustibles (carbones bituminosos y subbituminosos) y diversos aspectos de los procesos de combustión y de depuración y recogida de gases de combustión. Las cuatro características más relevantes de las cenizas volantes para su uso en hormigón son pérdida por ignición (LOI), finura, composición química y uniformidad.
LOI es una medición del carbono no quemado (carbón) que queda en la ceniza y es una característica crítica de las cenizas volantes, especialmente para aplicaciones de concreto. Los altos niveles de carbono, el tipo de carbono (es decir, activado), la interacción de iones solubles en cenizas volantes y la variabilidad del contenido de carbono pueden dar lugar a problemas significativos de arrastre de aire en el concreto fresco y pueden afectar negativamente la durabilidad del concreto. AASHTO y ASTM especifican límites para LOI. Sin embargo, algunos departamentos de transporte estatales especificarán un nivel más bajo para la LOI. El carbono también se puede eliminar de las cenizas volantes.
Algunos usos de cenizas volantes no se ven afectados por la LOI. El relleno en asfalto, el relleno fluido y los rellenos estructurales pueden aceptar cenizas volantes con un contenido de carbono elevado.
La finura de las cenizas volantes está estrechamente relacionada con las condiciones de funcionamiento de las trituradoras de carbón y la molibilidad del carbón en sí. Para el uso de cenizas volantes en aplicaciones de hormigón, la finura se define como el porcentaje en peso del material retenido en el tamiz de 0,044 mm (No.325). Una gradación más gruesa puede resultar en una ceniza menos reactiva y podría contener un mayor contenido de carbono. Los límites de finura se abordan en las especificaciones de ASTM y del departamento de transporte del estado. Las cenizas volantes se pueden procesar mediante cribado o clasificación del aire para mejorar su finura y reactividad.
Algunas aplicaciones no concretas, como los rellenos estructurales, no se ven afectadas por la finura de las cenizas volantes. Sin embargo, otras aplicaciones, como el relleno de asfalto, dependen en gran medida de la finura de las cenizas volantes y su distribución del tamaño de partícula.
La composición química de las cenizas volantes se relaciona directamente con la química mineral del carbón de origen y cualquier combustible o aditivo adicional utilizado en los procesos de combustión o postcombustión. La tecnología de control de la contaminación que se utiliza también puede afectar la composición química de las cenizas volantes. Las estaciones de generación eléctrica queman grandes volúmenes de carbón de múltiples fuentes. Los carbones pueden mezclarse para maximizar la eficiencia de generación o para mejorar el rendimiento ambiental de la estación. La química de las cenizas volantes se prueba y evalúa constantemente para aplicaciones de uso específico.
Algunas estaciones queman selectivamente carbones específicos o modifican su formulación de aditivos para evitar degradar la calidad de la ceniza o para impartir la química y las características deseadas de las cenizas volantes.
La uniformidad de las características de las cenizas volantes de un envío a otro es imprescindible para suministrar un producto consistente. La química y las características de las cenizas volantes generalmente se conocen de antemano, por lo que las mezclas de concreto se diseñan y prueban para determinar su rendimiento.cuadro 1-4: Documentos de orientación utilizados para garantizar la calidad de las cenizas volantes.
Material Controlado de baja Resistencia (CLSM)
Muestreo y Pruebas de Cenizas Volantes o Puzolanas Naturales para su Uso como Mezcla Mineral en Cemento Portland
ASTM C 618
Cenizas Volantes y Puzolana Natural Cruda o Calcinada para su Uso como Mineral Mezcla en Hormigón de Cemento Portland
Cenizas Volantes y Otras Puzolanas para Su Uso con Cal
Práctica Estándar para Caracterizar Cenizas Volantes para su Uso en la Estabilización del Suelo
Guía para el Uso de Subproductos de la Combustión de carbón en Rellenos estructurales
Los criterios de Garantía y Control de Calidad varían para cada uso de cenizas volantes de un estado a otro y de una fuente a otra. Algunos estados requieren muestras certificadas del silo sobre una base específica para pruebas y aprobación antes de su uso. Otros mantienen listas de fuentes aprobadas y aceptan las certificaciones de calidad de cenizas volantes de los proveedores del proyecto. El grado de los requisitos de control de calidad depende del uso previsto, de las cenizas volantes particulares y de su variabilidad. Los requisitos de prueba suelen ser establecidos por las agencias especificadoras individuales.
Figura 1-4: Fotografías microscópicas de cenizas volantes (izquierda) y cemento portland (derecha).
| Clase F | Clase C | |||
|---|---|---|---|---|
| Requisitos Químicos | SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 | min% | 701 | 50 |
| SiO3 | max% | 5 | 5 | |
| Contenido de Humedad | max% | 3 | 3 | |
| Pérdida por ignición (LOI) | max% | 51 | 51 | |
| Químicos (Opcional) Requisitos | Disponible álcalis | max% | 1.5 | 1.5 |
| Requisitos Físicos | Finura (+Malla 325) | max% | 34 | 34 |
| Cenizo actividad/cemento (7 días) | min% | 75 | 75 | |
| Cenizo actividad/cemento (28 días) | min% | 75 | 75 | |
| requerimiento de Agua | max% | 105 | 105 | |
| Autoclave de expansión | max% | 0.8 | 0.8 | |
| Uniforme requirements2: densidad | max% | 5 | 5 | |
| Uniforme requirements2: Finura | max% | 5 | 5 | |
| Opcional Requisitos Físicos | Múltiples factores (LOI x finura) | 255 | — | |
| Aumento en la contracción por secado | max% | .03 | .03 | |
| requisitos de Homogeneidad: incorporador de Aire del agente | max% | 20 | 20 | |
| de Cemento/Álcali Reacción: Mortero de expansión (14 días) | max% | 0.020 |
Notas:
- Los requisitos de ASTM son del 6 por ciento
- La densidad y finura de las muestras individuales no variarán del promedio establecido por las 10 pruebas anteriores, o por todas las pruebas anteriores si el número es menor que 10, por encima de los porcentajes máximos indicados.
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