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Sulphate and chloride durability of metakaolin-blended palm kernel shell concrete masonry units: separating the contributions of the pozzolan and the agro-waste aggregate

Este estudio demuestra que, si bien el metacaolín mejora significativamente la durabilidad frente al sulfato y al cloruro de las unidades de mampostería de concreto con cáscara de palma, la inclusión del agregado ligero de residuo agroindustrial compensa parcialmente estas ganancias, resultando en una mejora neta de la durabilidad que se correlaciona débilmente con la porosidad accesible al agua y se caracteriza por un ablandamiento de la matriz en lugar de una pérdida de masa.

Autores originales: Nova John, Vincent Sam Jebadurai S, Hemalatha G

Publicado 2026-10-22

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CC BY 4.0

Autores originales: Nova John, Vincent Sam Jebadurai S, Hemalatha G

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El hormigón es el material de construcción más ubicuo del mundo, una mezcla de cemento, agua y arena o piedra que se endurece hasta formar una masa sólida. Durante siglos, los ingenieros han buscado hacerlo más fuerte y duradero, a menudo añadiendo materiales de desecho para reemplazar parte del costoso cemento. Dos de estos materiales han ganado atención recientemente: la metacaolín, un polvo fino hecho de arcilla calentada que actúa como un pegamento químico para rellenar diminutos huecos, y las cáscaras de palma (palm kernel shells), las cáscaras duras y leñosas que se descartan tras la extracción de aceite, que pueden servir como un sustituto ligero de las piedras pesadas. Si bien el uso de estos materiales ayuda a reducir los residuos y bajar los costes, una pregunta crítica permanece para los constructores en entornos hostiles: ¿creará la mezcla de ambos un bloque capaz de sobrevivir años de exposición al agua salada o a suelos ricos en sulfatos, o la naturaleza porosa de las cáscaras socavará los beneficios protectores del polvo de arcilla?

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología y Ciencias de Karunya, en la India, se propuso responder a esto construyendo y probando tres tipos distintos de bloques de hormigón. Crearon un bloque de control estándar, un segundo bloque donde el diez por ciento del cemento fue reemplazado con metacaolín, y un tercer bloque que combinaba ese mismo reemplazo de metacaolín con una sustitución del veinticinco por ciento del agregado de piedra pesada por cáscaras de palma. Estos bloques, cada uno del tamaño de un ladrillo grande, fueron sumergidos en tanques de solución de sulfato al tres por ciento y en agua salada al tres por ciento durante hasta 180 días. El objetivo no era solo ver si sobrevivían, sino separar los efectos de los dos aditivos. Al comparar el bloque estándar con el que contenía solo metacaolín, los investigadores pudieron medir el beneficio puro del polvo de arcilla. Luego, al comparar ese bloque mejorado con el que contenía tanto la arcilla como las cáscaras, pudieron medir exactamente cuánto daño causaban las cáscaras a la durabilidad, aislando la contribución del residuo agrícola del beneficio del puzolana.

Los resultados revelaron una compleja interacción entre los dos materiales. El polvo de metacaolín funcionó exactamente como se esperaba, actuando como un potente refinador de la estructura interna del hormigón. Redujo la cantidad de espacio accesible al agua dentro del bloque en casi un ochenta por ciento, sellando eficazmente las vías que las sustancias químicas agresivas utilizan para penetrar hacia el interior. Sin embargo, cuando se añadieron las cáscaras de palma, estas revirtieron gran parte de esta ganancia. Debido a que las cáscaras son naturalmente porosas y absorben el agua fácilmente, reintrodujeron una red de vías, devolviendo aproximadamente el ochenta y seis por ciento del espacio protector que el metacaolín acababa de cerrar. El resultado final fue un bloque que seguía siendo mejor que el original estándar, pero solo ligeramente, con una mejora neta de apenas un siete por ciento en su resistencia al ataque químico. Este hallazgo sugiere que, si bien las cáscaras no destruyen la durabilidad, consumen la mayor parte de la protección que proporciona el polvo de arcilla, lo que requiere un equilibrio cuidadoso en el diseño.

Los investigadores también descubrieron que la forma en que estos bloques fallan es diferente de lo que sugeriría una simple pérdida de peso. Durante el periodo de inmersión de seis meses, los bloques perdieron muy poca masa, desprendiendo solo unos pocos porcentos de su peso. Sin embargo, su capacidad para soportar una carga, conocida como resistencia a la compresión, cayó casi un treinta por ciento. Esto indica que el daño no fue causado simplemente por el desgaste o el desprendimiento de la superficie del material. En su lugar, el ataque químico estaba ablandando la matriz interna del hormigón, debilitándolo sin eliminar gran parte de su masa. Esta distinción es vital para los ingenieros, ya que significa que medir el peso de un bloque es una forma deficiente de juzgar su seguridad; un bloque puede verse casi igual que cuando era nuevo, pero haber perdido una parte significativa de su resistencia.

Además, el estudio aclaró cómo estos dos químicos atacaban al hormigón de manera diferente. El metacaolín fue casi dos veces más efectivo protegiendo contra los cloruros que contra los sulfatos. Esto se debe a que el polvo de arcilla trabaja mediante la unión química de los iones de sal y mediante el bloqueo físico de su trayectoria, mientras que su protección contra los sulfatos depende más de una reacción química que limita la formación de cristales dañinos. Las cáscaras porosas, sin embargo, fueron mucho más perjudiciales en el agua salada, deshaciendo casi la mitad de las ganancias protectoras de la arcilla en ese entorno específico. Esta asimetría muestra que una puntuación "neta" única de durabilidad puede ser engañosa, ocultando el hecho de que los materiales se comportan de manera muy distinta según la amenaza específica que enfrenten.

Además de la inmersión química, el equipo probó cómo resistían los bloques ante ciclos repetidos de humectación y secado, un estrés común para los muros expuestos a la lluvia y al sol. Descubrieron que los bloques que contenían las cáscaras de palma eran sorprendentemente resilientes a este tipo de daño, perdiendo solo un siete por ciento de su resistencia tras siete ciclos, en comparación con la pérdida del treinta y seis por ciento del bloque estándar. Esto sugiere que la naturaleza más ligera y flexible de las cáscas podría ayudar al hormigón a absorber el estrés de la contracción y la expansión sin agrietarse, ofreciendo una ventaja potencial en climas con niveles fluctuantes de humedad.

En última instancia, el estudio concluye que las unidades de mampostería fabricadas con una mezcla de metacaolín y cáscaras de palma pueden utilizarse para muros de carga, siempre que no estén sujetas a una exposición química continua y severa. La investigación demuestra que la durabilidad de tal mezcla no es una propiedad fija, sino una variable que depende en gran medida de la dosis de arcilla. Al ajustar la cantidad de metacaolín, un diseñador puede compensar la naturaleza porosa de las cáscaras, ajustando efectivamente el bloque para satisfacer necesidades ambientales específicas. Los hallazgos ofrecen un camino claro hacia el uso de residuos agrícolas en la construcción, mostrando que, con el equilibrio químico adecuado, estos bloques ligeros pueden ser tanto sostenibles como duraderos.

Resumen Técnico: Durabilidad al Sulfato y Cloruro de Unidades de Mampostería de Concreto con Mezcla de Metacaolín y Cáscara de Palma de Aceite

Planteamiento del Problema
La cáscara de palma de aceite (PKS) es un agro-residuo ampliamente disponible utilizado como agregado grueso ligero, mientras que el metacaolín (MK) es un puzolana bien establecida para refinar la estructura de poros. Aunque ambos materiales han sido estudiados individualmente, su uso combinado en unidades de mampostería de concreto (CMU) se ha evaluado típicamente solo contra un control simple. Esta comparación convencional conlata dos mecanismos opuestos: el efecto de refinamiento de poros de la puzolana y el efecto de ensanchamiento de poros del agregado poroso y ceroso de la PKS. En consecuencia, una cifra neta de durabilidad no puede distinguir si una puzolana está contribuyendo significativamente o simplemente compensando los defectos del agregado. Esto oscurece las palancas críticas de diseño, tales como si aumentar la dosis o la finura del puzolano permitiría niveles más altos de reemplazo de agro-residuos.

Metodología
Para desacoplar estos efectos, el estudio empleó un diseño experimental de tres series de unidades de mampostería de concreto sólido (250 mm × 200 mm × 150 mm) producidas a partir de una mezcla 1:3:6:

Control (C): Concreto simple sin aditivos.
Serie de Metacaolín (MK): 10% de reemplazo del cemento por masa con metacaolín.
Serie Ternaria (PKS-MK): 10% de reemplazo de cemento por metacaolín más 25% de reemplazo del agregado grueso por PKS.

Las unidades fueron curadas durante 28 días y luego sumergidas completamente en soluciones de Na₂SO₄ al 3% y NaCl al 3% durante hasta 180 días. Los intervalos de prueba ocurrieron a los 56, 90, 150 y 180 días.

Las mediciones clave incluyeron:

Propiedades Físicas: Densidad en seco al horno, absorción de agua, tasa inicial de absorción (IRA) y porosidad accesible al agua (derivada de la absorción y la densidad).
Métricas de Durabilidad: Masa residual y resistencia a la compresión.
Análisis Cinético: Los datos de pérdida de resistencia se ajustaron a dos leyes cinéticas competitivas: un modelo de reacción de primer orden ( $S(t)/S(0) = \exp(-kt)$ ) y un modelo de difusión de raíz cuadrada del tiempo ( $S(t)/S(0) = 1 - at^{1/2}$ ).
Descomposición: Las contribuciones del metacaolín ( $\delta_{MK}$ ) y la penalización de la PKS ( $\delta_{PKS}$ ) se calcularon multiplicativamente para determinar el cambio neto.
Pruebas Adicionales: Siete ciclos de humectación y secado alternos, y microscopía electrónica de barrido (SEM) de especímenes no expuestos.

Resultados Clave

Porosidad y Transporte: El metacaolín redujo la porosidad accesible al agua en un 79% (del 7.40% en el control al 1.56%). La introducción de PKS aumentó la porosidad en un 86% relativo a la unidad de MK (al 2.89%), resultando en una reducción neta del 61% en comparación con el control.
Cinética de Degradación: La pérdida de resistencia siguió una ley cinética de primer orden ( $R^2$ = 0.899–0.946) significativamente mejor que la ley de la raíz cuadrada del tiempo ( $R^2$ = 0.730–0.832). Esto indica que el paso que controla la velocidad es una reacción distribuida proporcional al material sano restante, en lugar del avance de un frente de difusión.
Descomposición de Efectos:
- Sulfato: El metacaolín redujo la constante de la tasa de degradación en un 19.9%. La PKS la aumentó en un 16.0%. La mejora neta sobre el control fue del 7.1%.
- Cloruro: El metacaolín redujo la constante de la tasa en un 37.1%. La PKS la aumentó en un 47.7%. La mejora neta fue nuevamente del 7.1%.
- Asimetría: El estudio destaca que, aunque las cifras netas son idénticas, los mecanismos difieren. El metacaolín es casi dos veces más efectivo contra el cloruro que contra el sulfato, mientras que la penalización de la PKS es tres veces mayor en cloruro. Esto sugiere que la protección contra el cloruro depende fuertmente del refinamiento de las rutas de transporte (que la PKS daña), mientras que la protección contra el sulfato es más química.
Porosidad vs. Durabilidad: La constante de la tasa de degradación varió con la porosidad accesible a una potencia de solo 0.14 (sulfato) y 0.28 (cloruro). Una reducción de 4.75 veces en la porosidad produjo solo una reducción de 1.25 a 1.59 veces en la tasa de degradación, lo que indica que la porosidad accesible es un indicador débil de durabilidad en este sistema.
Pérdida de Masa vs. Resistencia: La pérdida de resistencia excedió la pérdida de masa por un factor de 8.1 a 11.6 en todas las series. Esta relación indica que la degradación es impulsada por el ablandamiento de la matriz (productos expansivos o descalcificación) en lugar de la remoción de material. Las evaluaciones basadas en la masa subestimarían la pérdida de resistencia en un orden de magnitud.
Daño Cíclico: Al medirse contra la resistencia inicial de 28 días no acondicionada, la unidad PKS-MK sufrió solo un 7.5% de daño cíclico tras siete ciclos de humectación/secado, en comparación con el 35.8% del control. Esto sugiere que la menor rigidez del agregado PKS acomoda mejor la deformación impulsada por la humedad que la matriz rígida del control.
Capacidad Residual: Después de 180 días, la unidad PKS-MK retuvo el 70% (sulfato) y el 67% (cloruro) de la resistencia mínima de carga de 5 N/mm² requerida por la norma IS 2185. El control retuvo entre 142 y 148%.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que separar las contribuciones del puzolana y del agro-residuo revela que la puzolana "gana" la durabilidad de la unidad ternaria, mientras que el agregado "consume" la mayor parte de esa ganancia. El estudio sostiene que:

Palancas de Diseño: Debido a que la contribución del puzolana (reducción de la tasa de 20–37%) y la penalización del agregado (aumento de 16–48%) son del mismo orden, el equilibrio es una variable de diseño. Ajustar la dosis o la finura del metacaolín puede compensar la penalización del agregado, un matiz que se pierde en las comparaciones de cifras netas.
Perspectiva Mecanicista: Las diferentes sensibilidades al cloruro y al sulfato confirman que el metacaolín actúa químicamente contra el sulfato (consumiendo el hidróxido de calcio) pero depende del refinamiento del transporte contra el cloruro. El agregado poroso de PKS perjudica desproporcionadamente la resistencia al cloruro dependiente del transporte.
Corrección Metodológica: El estudio demuestra que la métrica convencional de "humectación y secado alternos" (comparando la resistencia saturada vs. la resistencia seca) mide la sensibilidad a la humedad, no el daño cíclico. El verdadero daño cíclico debe medirse contra la resistencia inicial no acondicionada.
Aplicación Práctica: Los resultados apoyan el uso condicional de unidades de mampole de PKS mezcladas con metacaolín para muros de carga por encima de la barrera de humedad, siempre que no estén sujetos a exposición química sostenida. El estudio identifica la dosis de metacaolín, en lugar del contenido de PKS, como la variable principal para optimizar la durabilidad.

Los autores señalan limitaciones, incluyendo la falta de datos de dispersión (especímenes únicos por edad), la ausencia de difracción/espectroscopia para identificar los productos de ataque, y el uso de valores de sorción nominales. Concluyen que, si bien las unidades cumplen con los estándares mínimos después de 180 días de inmersión severa, la durabilidad es marginal para una exposición agresiva continua sin protección adicional o modificación del mortero.

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