Aplicabilidad de la ceniza volcánica de baja actividad como nuevo recurso para materiales cementicios sostenibles

Abstract

(English) Volcanic ash (VA), abundantly available in various regions globally, serves as an effective supplementary cementitious material (SCM) for partially substituting Portland cement (OPC). However, its inherently low reactivity presents a challenge for its broader utilization. This challenge can be overcome by enhancing VA's reactivity via several approaches: 1) employing mechanical and thermal treatments; 2) adding alkali activators; 3) using corrective additives to balance VA's chemical shortcomings; and 4) applying appropriate curing methods to stimulate pozzolanic reactions. According to ASTM C618 standards, VA falls into the Class N category. The study explored various activation strategies, including VA calcination (CVA) at temperatures ranging from 500 to 900 °C, alkali activation using Na2SiO3 (NSi), CaCl2 (CaCl), Na2SO4 (NS), and Na2CO3 (NC) at 1 to 4% dosages (relative to binder weight), and the strategic inclusion of SCMs like lime (L), fly ash (FA), and slag (EC) in amounts of 10, 20, and 30% (relative to VA weight). The curing process's influence was examined under different conditions: moist and heated environments (40 and 70°C for 3 days). The best mortar mixes underwent evaluations for compressive strength at intervals of 7, 28, and 90 days, alongside assessments of physical characteristics (e.g., porosity, water absorption, density) and microstructural properties. The mortars' durability was further gauged through shrinkage and acid resistance tests (against HCl, H2SO4, HNO3). For mortars comprising 35% VA (VA35) and subjected to moist curing, calcining VA at 700 °C coupled with a 20% lime addition resulted in achieving mortars boasting a peak strength of 49 MPa at 28 days, alongside a 9% reduction in water absorption compared to mortars with unmodified VA (VA35). Similarly, employing alkali activators, particularly NSi and CaCl at 1% and 2% dosages respectively, led to mortars demonstrating superior mechanical and physical properties. In mortars with a 50% VA content, the optimal alkali activator dosages were identified as 2% for NSi and 1% for CaCl. The addition of 20% FA and 10% EC emerged as the most effective corrective additives. Thermal curing (70°C for 3 days) significantly boosted early strength gains, curtailed mortar shrinkage, and enhanced resistance to H2SO4, especially notable in mortars prepared with CVA and 1% CaCl. Notwithstanding, at the 90-day mark, moist chamber curing was found to facilitate greater strength increases. A specific mix utilizing mixed activation (1% CaCl with CVA and 10% EC) notably outperformed, achieving 56 MPa, which is a 32% improvement over mortars with untreated VA (VA50). The presence of hydrated phases (C-S-H/C-S-A-H) and minerals such as portlandite, strätlingite, kuzelite, and Friedel's salt attested to the mortars' commendable performance. For mortars containing 75% VA, the best results were achieved with 2% NSi and 1% CaCl as activators, and the addition of 10% FA and 10% EC as correctives additives. Under moist curing, a mixed-activated mortar (1% CaCl-CVA-10%EC) exhibited the highest compressive strength at 90 days, reaching 44 MPa—a 29% increase over mortars with untreated VA (VA75). Thermal curing expedited early strength development, minimized shrinkage, and bolstered resistance to H2SO4, along with improving porosity and water absorption rates, with the exception of CaCl-containing mortars. Notably, the VA75 mix showed limited portlandite formation and an absence of strätlingite. This investigation confirms the feasibility of achieving satisfactory compressive strengths in mortars with high VA content. Furthermore, by leveraging the studied activation and curing techniques, it's possible to tailor the mortar mix for specific applications, optimizing for properties such as minimal shrinkage, reduced water absorption, enhanced early-age strength, or heightened resistance to particular acid exposures.

(Català) La cendra volcànica (VA) és un recurs abundant que es pot utilitzar com a material cimentant suplementari (MCS), però la seva baixa reactivitat limita les seves aplicacions com a substitut del Ciment Portland (OPC). No obstant, la reactivitat de la VA es pot modificar mitjançant: 1) processos mecànics i tèrmics; 2) afegint activadors alcalins; 3) usant correctors que compensin el dèficit químic de la VA; i 4) aplicant mètodes de curació adequats per afavorir les reaccions putzolàniques. Segons les normes ASTM C618, la VA pertany a la categoria de Classe N. Dins dels mètodes d'activació, es va avaluar la calcinació de la VA (CVA) a temperatures diferents (500 – 900 °C), l'activació alcalina amb Na2SiO3 (NSi), CaCl2 (CaCl), Na2SO4 (NS) i Na2CO3 (NC) en dosificacions de l'1 al 4% (respecte al pes del lligant), així com l'ús d’altres MCS com a correctors en proporcions del 10, 20 i 30% (respecte al pes de la VA): la calç (L), cendra volant (FA) i escòria (EC). D'altra banda, l'efecte del curat també es va analitzar amb tres règims: humit i amb calor (40 i 70 °C durant 3 dies). Les barreges de morter optimitzades es van avaluar en termes de la seva resistència a la compressió al cap de 7, 28 i 90 dies, de les propietats físiques (porositat, absorció d'aigua i densitat) i de l’anàlisi microestructural. Finalment, es van avaluar la durabilitat dels morters, mitjançant la seva retracció i resistència als àcids (HCl, H2SO4, HNO3). En morters amb un 35% de VA (VA35) sota curat humit, la calcinació de VA a 700 °C, així com l'addició d’un 20% de calç van permetre obtenir morters amb una resistència màxima de 49 MPa als 28 dies i una absorció un 9% menor que el morter amb VA no tractada (VA35). De la mateixa manera, l'ús d'activadors alcalins, concretament NSi i CaCl amb una dosificació de l'1% i el 2%, respectivament, van aconseguir morters amb altes prestacions mecàniques i físiques. Pel que fa als morters amb un 50% de VA, les dosis òptimes d'activadors alcalins van ser del 2% per al NSi i de l'1% per al CaCl. Respecte als correctors, l'òptim es va aconseguir addicionant un 20% de FA i un 10% d'AC. El curat tèrmic (70°C durant 3 dies) va augmentar la resistència als 7 dies, va reduir la contracció dels morters, així com la resistència a l'àcid H2SO4, sobretot en morters fabricats amb CVA i un 1% de CaCl. Tot i això, als 90 dies, el curat en cambra humida va produir majors augments en la resistència. Específicament, el morter amb activació mixta (ús d’un 1% de CaCl amb CVA i un 10% d’EC) va assolir una resistència de 56 MPa, superant en un 32% el morter amb VA no tractada (VA50). Les fases hidratades (C-S-H/C-S-A-H) i els minerals com la portlandita, l’ettringita, la kuzelita i la sal de Friedel, van confirmar les bones prestacions d'aquests morters. Finalment, en morters amb el 75% de VA, l'ús d'activadors alcalins NSi i CaCl va ser òptim en dosificacions del 2 i 1%, respectivament. Respecte als correctors, l'òptim es va aconseguir addicionant un 10% de FA i un 10% d'AC. La màxima resistència a la compressió als 90 dies, es va aconseguir sota el curat humit amb el morter amb activació mixta (1% de CaCl, CVA, i 10% d’EC) que va assolir 44 MPa, un 29% més gran que el morter amb VA no tractada (VA75). D'altra banda, el curat tèrmic va accelerar les resistències als 7 dies, va reduir les contraccions, va millorar la resistència a l'atac de l'àcid H2SO4, així com la porositat i l’absorció dels morters, a excepció dels morters amb CaCl. A la barreja VA75, es va observar una escassa formació de portlandita i absència d'ettringita. Aquest estudi conclou que és possible aconseguir bones resistències a la compressió amb morters amb altes quantitats de VA. A més, amb els mètodes d'activació i curats analitzats es pot optimitzar el disseny de la barreja en funció de la seva aplicació per tal d’obtenir morters amb contracció baixa, baixa absorció d'aigua, alta resistència a l’inici o resistents davant l'exposició a un àcid específic.

(Español) La ceniza volcánica (VA) es un recurso abundante en muchas regiones del mundo que se puede utilizar como material cementicio suplementario (MCS) pero su baja reactividad limita sus aplicaciones como reemplazo del cemento Portland (OPC). Sin embargo, esta limitación se reduce modificando la reactividad de la VA, mediante: 1) procesos mecánicos y térmicos; 2) incorporando activadores alcalinos; 3) introduciendo correctores que compensan el déficit químico de la VA; y 4) un adecuado curado para favorecer las reacciones puzolánicas. La VA se clasificó como Clase N según la norma ASTM C618. Dentro de los métodos de activación, se evaluó la calcinación de la VA (CVA) a diferentes temperaturas (500 – 900 °C), la activación alcalina con Na2SiO3 (NSi), CaCl2 (CaCl), Na2SO4 (NS) y Na2CO3 (NC) en dosificaciones del 1 al 4% (respecto al peso del ligante), así como el uso de MCS como correctores en proporciones del 10, 20 y 30% (respecto al peso de la VA): cal (L), ceniza volante (FA) y escoria (EC). Por otro lado, el efecto del curado también se analizó bajo tres regímenes: húmedo y con calor (40 y 70°C por 3 días). Las mezclas de mortero optimizadas se evaluaron en términos de sus resistencias a compresión a 7, 28 y 90 días, propiedades físicas (porosidad, absorción de agua y densidad) y análisis microestructural. Finalmente, se evaluaron la durabilidad de los morteros, mediante su retracción y resistencia a ácidos (HCl, H2SO4, HNO3). En morteros con 35% de VA (VA35) bajo curado húmedo, la calcinación de VA a 700 °C, así como la adición de 20% de cal permitieron obtener morteros con una resistencia máxima de 49 MPa a 28 días y una absorción 9% menor que el mortero con VA no tratada (VA35). De igual manera, el uso de activadores alcalinos, concretamente NSi y CaCl con una dosificación del 1% y 2%, respectivamente, lograron morteros con altas prestaciones mecánicas y físicas. En relación a los morteros con 50% de VA, el uso de activadores alcalinos NSi y CaCl fueron óptimas en dosificaciones del 2 y 1% respectivamente. Con respecto a los correctores, la adición de 20% FA y 10% EC fueron las óptimas. El curado térmico (70°C por 3 días) resultó en aumentos significativos de la resistencia a 7 días, redujo la retracción de los morteros, así como la resistencia al ácido H2SO4 sobre todo en morteros fabricados con CVA y 1% CaCl. Sin embargo, a 90 días, el curado en cámara húmeda produjo mayores aumentos de resistencia. Específicamente, el mortero con activación mixta (uso de 1% CaCl con CVA y 10% EC) alcanzó una resistencia de 56 MPa superando en un 32% al mortero con VA no tratada (VA50). Fases hidratadas (C-S-H/C-S-A-H) y minerales como portlandita, estratlingita, kuzelita y sal de Friedel, confirmaron las buenas prestaciones de estos morteros. Finalmente, los morteros con 75% de VA, mediante el uso de activador alcalino CaCl al 1% y curado térmico (70°C por 3 días), logró una resistencia de 35 MPa a 28 días. Mediante el uso de adiciones al 10% FA y 10% EC alcanzaron resistencias de 36 y 37 MPa, respectivamente. Además, en general, el curado térmico redujo las retracciones, mejoró la resistencia al ácido H2SO4, así como la porosidad y la absorción de los morteros. En la mezcla VA75, se observó escasa formación de portlandita y ausencia de estratlingita. Por otro lado, a 90 días, el mortero con activación mixta (1% CaCl-CVA-10%EC) alcanzó la máxima resistencia de 44 MPa bajo curado húmedo, siendo un 29% más que el mortero con VA no tratada (VA75). Este estudio concluyó que es posible conseguir resistencias a compresión adecuadas con morteros con altas cantidades de VA. Además, se puede optimizar el diseño de la mezcla en función de su aplicación con los métodos de activación y curados analizados para obtener morteros con bajas retracciones, bajas absorciones de agua, altas resistencias a temprana edad o resistentes ante la exposición a un ácido específico.