Silica fume as an industrial by-product modifier for reducing quicklime demand in earthen building materials: mechanical, microstructural and carbon-performance assessment

Resumen Técnico: La sílice de humo como modificador para materiales de tierra reducidos en cal viva

Planteamiento del problema
Los materiales de construcción de tierra ofrecen ventajas ecológicas significativas, incluyendo una baja energía incorporada y el uso de suelos disponibles localmente. Sin embargo, su aplicación de ingeniería generalizada se ve obstaculizada por un rendimiento mecánico y una estabilidad de la matriz insuficientes. Si bien la cal viva es un estabilizador común que mejora la unión de las partículas y la consolidación de la matriz, su producción implica una calcinación a alta temperatura y las emisiones de carbono asociadas. Además, el simple hecho de aumentar la dosis de cal viva no garantiza mejoras proporcionales en el rendimiento y puede afectar negativamente la trabajabilidad y la economía de la mezcla. En consecuencia, existe la necesidad de reducir la demanda de cal viva manteniendo o mejorando el rendimiento del material. Aunque la sílice de humo es reconocida por sus efectos de llenado y su reactividad en sistemas ricos en calcio, su papel específico como sustituto parcial de la cal viva en materiales de tierra sigue siendo poco investigado, particularmente en lo que respecta a los efectos combinados sobre el comportamiento en estado fresco, la microestructura y el rendimiento de carbono.

Metodología
El estudio empleó un diseño de sustitución controlada para investigar la sílice de humo como un reemplazo parcial de la cal viva. Se prepararon cinco grupos de mezclas (S0–S4) utilizando loess, arena, fibra de paja y alginato de sodio como componentes constantes. El componente variable fue la fracción del aglutinante, donde la sílice de humo reemplazó progresivamente a la cal viva:

• S0: Mezcla de referencia (0% de sílice de humo, 31.5 partes de cal viva).
• S1–S4: Niveles crecientes de reemplazo de sílice de humo (1.5, 3.1, 4.7 y 6.3 partes respectivamente), que corresponden a un reemplazo del 4.8%, 9.8%, 14.9% y 20.0% dentro de la fracción del aglutinante de cal viva–sílice de humo.

La evaluación experimental incluyó:

1. Comportamiento en estado fresco: Pruebas de mini-asentamiento y fluidez (ASTM C230/C230M-20) para evaluar la trabajabilidad y la retención de forma.
2. Rendimiento mecánico: Pruebas de resistencia a la compresión a los 28 días en especímenes cúbicos de 70.7 mm (JGJ/T 70).
3. Análisis microestructural: Difracción de rayos X (XRD) para la identificación de fases, Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) para la morfología y Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS) para la composición elemental local (equilibrio Ca–Si–Al).
4. Rendimiento de carbono: Una evaluación de carbono simplificada relacionada con el aglutinante calculada bajo un límite de cuna a la puerta (cradle-to-gate). Esto incluyó ratios de ahorro de cal viva, intensidad de carbono normalizada por resistencia y un índice de ecoeficiencia, comparando las mezclas bajo un escenario base donde la sílice de humo se trata como un material secundario con cero carga de procesamiento adicional.

Resultación clave

• Comportamiento en estado fresco: El aumento del contenido de sílice de humo redujo progresivamente el asentamiento y la fluidez (por ejemplo, el diámetro de expansión disminuyó de 113.03 mm en S0 a 105.45 mm en S4). Si bien la movilidad disminuyó, la capacidad de retención de forma mejoró, indicando un aumento en la cohesión y una reducción de la deformación bajo su propio peso.
• Resistencia a la compresión: Los niveles bajos a moderados de sustitución mejoraron el rendimiento mecánico. S1 alcanzó la resistencia más alta (1.199 MPa), un aumento del 9.6% sobre la referencia S0 (1.094 MPa). S2 también mejoró un 7.1% (1.172 MPa). Por el contrario, los niveles de reemplazo más altos (S3 y S4) resultaron en reducciones significativas de la resistencia (aproximadamente un 19% y 18% menores que S0), atribuidas al desequilibrio entre el llenado, la trabajabilidad y la estabilización.
• Características microestructurales:
  • XRD: No se detectaron nuevas fases cristalinas; las fases principales (cuarzo, calcita, minerales de arcilla) se mantuvieron consistentes en todos los grupos.
  • SEM: La sustitución baja a moderada (S1, S2) mejoró el empaquetamiento de partículas y la compacidad de la matriz, llenando los vacíos entre las partículas más gruesas. La alta sustitución (S3, S4) condujo a características heterogéneas, aglomeración local y contactos discontinuos.
  • EDS: El análisis elemental reveló variaciones no lineales en la relación local Ca/(Si+Al). El alto contenido local de calcio (por ejemplo, en S3) no se correlacionó con una mejora en la resistencia, lo que sugiere que el rendimiento mecánico depende del efecto combinado de la disponibilidad de calcio, el llenado rico en sílice y la homogeneidad de la matriz, más que del contenido de calcio por sí solo.
• Rendimiento de carbono: Si bien la sustitución de sílice de humo redujo la demanda de cal viva (hasta un 20% en S4), el equilibrio óptimo entre resistencia y carbono se logró en los niveles de reemplazo más bajos. S1 y S2 exhibieron la menor intensidad de carbono normalizada por resistencia y los índices de ecoeficiencia más altos, ya que combinaron la reducción de cal viva con una mejora o mantenimiento de la resistencia a la compresión. S3 y S4, a pesar de los mayores ahorros de cal viva, sufrieron penalizaciones mecánicas que disminuyeron su ecoeficiencia general.

Contribuciones y significancia clave
El artículo establece que la sílice de humo funciona eficazmente como un modificador suplementario en lugar de un reemplazo directo de alta dosificación para la cal viva en materiales de tierra. El estudio identifica un rango de reemplazo razonable de 1.5–3.1 partes de sílice de humo por cada 100 partes de materiales secos (aproximadamente 4.8%–9.8% de la fracción del aglutinante). Dentro de este rango, la sílice de humo mejora la compacidad de la matriz y reduce la demanda de cal viva sin comprometer la integridad mecánica.

La significancia del trabajo radica en su evaluación conjunta del rendimiento mecánico y ambiental. Los autores demuestran que maximizar la dosis de reemplazo no necesariamente produce el mejor resultado de sostenibilidad; en su lugar, se requiere un equilibrio óptimo entre el micro-llenado, la estabilización con cal y la trabajabilidad. Al introducir indicadores de carbono normalizados por resistencia, el estudio proporciona un marco para evaluar las modificaciones de materiales de tierra que considera tanto la reducción de carbono incorporado como el rendimiento de ingeniería. Los hallazgos sugieren que el diseño de materiales de tierra sostenibles debe priorizar estrategias de sustitución equilibradas sobre la simple maximización del uso de subproductos industriales.

Limitaciones
Los autores señalan que la evaluación de carbono fue simplificada, centrándose solo en la fracción del aglutinante y excluyendo las etapas de transporte, construcción y fin de vida. Además, no se evaluaron indicadores de durabilidad a largo plazo, tales como la resistencia al agua y el comportamiento de humedecimiento-secado. Los resultados se presentan como evidencia experimental de nivel de cribado en lugar de una evaluación completa de ciclo de vida o de durabilidad.