Agricultural Waste Valorization of Sugarcane Bagasse Ash for Low-Carbon Concrete Applications

Resumen Técnico: Valorización de Residuos Agrícolas de Ceniza de Bagazo de Caña de Azúcar para Aplicaciones de Hormigón de Bajo Carbono

Planteamiento del Problema
La rápida expansión del sector de la construcción global ha impulsado un aumento significativo en el consumo de cemento, un proceso responsable de aproximadamente el 5–8% de las emisiones globales de dióxido de carbono (CO₂) debido a la calcinación de la piedra caliza y la combustión de combustibles. Concurrentemente, la industria azucarera genera vastas cantidades de residuos agrícolas conocidos como bagazo de caña de azúcar, que a menudo se quema para obtener energía, produciendo Ceniza de Bagazo de Caña de Azúcar (ScBA, por sus siglas en inglés). Cuando se desechan, estas cenizas contribuyen a la degradación ambiental. Si bien investigaciones previas han explorado residuos agrícolas como la ceniza volante y la ceniza de cáscara de arroz, existe una falta de estudio sistemático respecto a la influencia integrada de la ScBA en la trabajabilidad, el comportamiento de fraguado y la sostenibilidad del hormigón como un sistema cohesivo. Esta investigación aborda la necesidad de determinar la viabilidad de la ScBA como un reemplazo parcial del cemento para producir un hormigón sostenible y ecológico sin comprometer las propiedades del material.

Metodología
El estudio empleó un enfoque experimental para evaluar la idoneidad de la ScBA como material cementante suplementario (SCM). La investigación utilizó Cemento Portland Ordinario (OPC) como ligante primario, reemplazado parcialmente por ScBA en cuatro niveles distintos: 0% (control), 5%, 10% y 15% en peso. La ScBA se obtuvo de fábricas de azúcar locales y fue sometida a un proceso (secado, tamizado y molienda) para asegurar una uniformidad en el tamaño de partícula y la finura.

El procedimiento experimental siguió las especificaciones de las Normas de la India (IS), específicamente la IS: 4031 (Parte 4) para las pruebas de consistencia y tiempo de fraguado. La metodología se centró en:

1. Caracterización del Material: Análisis de las propiedades físicas y químicas de la ScBA, observando su alto contenido de sílice amorfa, estructura porosa y forma de partícula irregular.
2. Propiedades en Estado Fresco: Realización de pruebas de consistencia estándar utilizando un aparato de Vicat para determinar la demanda de agua y la consistencia.
3. Características de Fraguado: Medición de los tiempos de fraguado inicial y final para evaluar la cinética de hidratación.
4. Evaluación de Sostenibilidad: Cálculo de las posibles reducciones de emisiones de CO₂ basadas en el porcentaje de cemento reemplazado.

Resultos Clave
La investigación arrojó hallazgos específicos sobre el comportamiento fisicoquímico de las pastas de cemento modificadas con ScBA:

• Demanda de Agua y Consistencia: La incorporación de ScBA aumentó el consumo de agua debido a la alta superficie específica, la naturaleza porosa y la forma irregular del material. La demanda de agua aumentó de 153 ml para la mezcla de control (0% ScBA) a 165 ml para la mezcla de reemplazo al 15%. Consecuentemente, la relación agua-cemento aumentó de 0.3825 a 0.4125, y los valores de consistencia aumentaron ligeramente de 38.25 mm a 39.40 mm.
• Tiempo de Fraguado Inicial: Se observó un retraso significativo en el tiempo de fraguado inicial a medida que aumentaba el contenido de ScBA. La mezcla de control fraguó en 2 horas 15 minutos, mientras que la mezcla de reemplazo al 15% requirió 3 horas 10 minutos. Este retraso se atribuye a la dilución del material cementante, la menor reactividad de la ScBA en comparación con los minerales del clínker (específicamente C₃S) y la reducción de la disponibilidad de agua libre para la hidratación.
• Tiempo de Fraguado Final: El tiempo de fraguado final exhibió una tendencia no lineal. Disminuyó de 8 horas 17 minutos (control) a 7 horas 25 minutos con un reemplazo del 5%, probablemente debido al efecto de relleno y al mejoramiento del empaquetamiento de partículas. Sin embargo, en niveles de reemplazo más altos (15%), el tiempo aumentó a 7 horas 54 minutos, atribuido a la dilución del cemento y a la mayor absorción de agua.
• Efectos Microestructurales y Pozolánicos: El análisis microestructural indicó que la ScBA contribuye al desarrollo de gel adicional de Silicato de Calcio Hidratado (C-S-H) mediante reacciones pozolánicas secundarias. Esta reacción densifica la matriz de cemento, potenciando potencialmente el desempeño mecánico a largo plazo y la durabilidad.

Significancia y Reivindicaciones
El documento concluye que la Ceniza de Bagazo de Caña de Azúcar es una alternativa viable y sostenible para el reemplazo parcial del cemento en el hormigón. El estudio identifica el reemplazo del 10% de ScBA como la proporción óptima, ofreciendo el mejor equilibrio entre trabajabilidad, tiempo de fraguado y sostenibilidad ambiental. En este nivel, el material aprovecha los beneficios de la reactividad pozolánica y los efectos de relleno sin los impactos negativos en el desempeño observados en tasas de reemplazo superiores.

Desde una perspectiva ambiental, la investigación afirma que reemplazar el 10% del cemento con ScBA puede reducir las emisiones de CO₂ aproximadamente entre un 8% y un 10% por unidad de volumen de hormigón. Además, la utilización de ScBA promueve la valorización de residuos, reduce la dependencia de recursos no renovables como la piedra caliza y apoya las prácticas de economía circular al transformar los residuos agrícolas en un recurso valioso para la construcción. El documento posiciona este enfoque como una solución integral para la construcción sostenible, particularmente en regiones con alta producción de caña de azúcar, proporcionando una guía para integrar los residuos agrícolas en las técnicas de construcción modernas minimizando el impacto ecológico.