Efecto del contenido de CaO en cenizas volantes Clase C sobre las propiedades de deformación del hormigón totalmente graduado

Convertir los residuos de centrales eléctricas en presas más resistentes

Las presas modernas y otras estructuras de hormigón masivas consumen cantidades enormes de material. Al mismo tiempo, las centrales térmicas de carbón generan montañas de ceniza volante, un polvo fino y gris que normalmente se trata como residuo. Este estudio explora si una forma de ceniza volante rica en calcio puede sustituir de forma segura parte del cemento en el hormigón para grandes presas, ayudando a reducir costos, disminuir el impacto ambiental y, al mismo tiempo, mantener las estructuras resistentes a la fisuración durante décadas de uso.

Por qué esta ceniza importa para grandes estructuras de hormigón

La ceniza volante se forma cuando se quema carbón y las partículas minerales se funden en pequeñas esferas vítreas. Los ingenieros ya emplean un tipo común, conocido como ceniza volante Clase F, para mejorar el hormigón y reducir el uso de cemento. En partes de China como Xinjiang, sin embargo, la mayor parte de la ceniza disponible es rica en calcio. Esta ceniza Clase C se comporta de manera distinta: su calcio adicional puede favorecer reacciones más intensas con el cemento, pero también puede ocultar formas inestables de cal que podrían provocar que el hormigón se expanda o agriete con el tiempo. Para aprovechar bien este recurso local en proyectos masivos de presas, hay que entender en detalle su efecto sobre cómo el hormigón se dilata, se contrae y se mantiene estable.

Cómo el equipo sometió el hormigón a prueba

Los investigadores recogieron ceniza volante de varias centrales eléctricas con contenidos de óxido de calcio (CaO) que iban desde valores muy bajos hasta aproximadamente 16,5 por ciento, y asimismo cuantificaron cuánto de ese calcio estaba presente en una forma «libre» particularmente reactiva. Mezclaron estas cenizas en dos tipos de hormigón para presas: uno con cuatro tamaños de piedra y grava y otro con tres tamaños. Estas dosificaciones totalmente graduadas están diseñadas para empaquetar las partículas del árido de forma compacta, lo que es importante para reducir huecos internos y grietas. El equipo realizó a continuación una serie de ensayos de laboratorio para seguir la estabilidad volumétrica (soundness), la extensión máxima antes de agrietarse (deformación última a tracción), la rigidez (módulo elástico), el cambio volumétrico natural sin secado (deformación autógena) y el cambio volumétrico al secarse el hormigón (retracción por secado).

Qué aprendieron sobre estabilidad y fisuración

Una preocupación clave era si un mayor contenido de calcio provocaría una expansión inestable. El estudio encontró que cuando la ceniza Clase C tiene un contenido de CaO entre aproximadamente 5,1 y 16,5 por ciento, e incluso cuando reemplaza hasta el 70 por ciento del cemento, el hormigón sigue cumpliendo los límites estándar de soundness. En ensayos mecánicos, el hormigón con más CaO en la ceniza mostró una capacidad de deformación a tracción ligeramente mayor y un mayor módulo elástico, lo que significa que resultó algo mejor para resistir la fisuración y, al mismo tiempo, un poco más rígido. Paralelamente, el cambio volumétrico autógeno que ocurre a medida que el cemento y la ceniza reaccionan tendió a hacerse más proclive a la retracción al aumentar el CaO, especialmente en el hormigón de cuatro tamaños de árido. A pesar de estas tendencias, la influencia global del nivel de CaO sobre la deformación se mantuvo moderada.

Por qué la graduación del árido marca la diferencia

La comparación entre hormigones de cuatro y de tres granulometrías reveló que cómo se dimensionan y mezclan las piedras puede importar tanto como la composición de la ceniza. Las mezclas de cuatro fracciones, con una distribución más amplia de tamaños de partícula, toleraron una mayor deformación a tracción antes de agrietarse y mostraron una retracción por secado algo menor que las mezclas de tres fracciones. Su rigidez cambió de forma más gradual con el tiempo, lo que sugiere una estructura interna más estable. Sin embargo, en cuanto al cambio volumétrico autógeno, el hormigón de cuatro fracciones se contrajo un poco más que la versión de tres fracciones, particularmente cuando el contenido de CaO en la ceniza volante era mayor. Imágenes microscópicas confirmaron que las cenizas con mayor calcio pueden producir productos de reacción más densos, pero también pueden generar pequeños defectos alrededor de partículas no reaccionadas si el contenido de calcio es demasiado alto.

Qué significa esto para las presas del futuro

Para los no especialistas, el mensaje principal es tranquilizador: dentro de un intervalo de calcio bien definido, la ceniza Clase C local estudiada aquí puede sustituir con seguridad una gran parte del cemento en el hormigón de presas sin provocar una expansión peligrosa ni una fisuración excesiva. Niveles de CaO cuidadosamente seleccionados, junto con una graduación del árido bien diseñada, permiten a los ingenieros construir estructuras masivas y estables aprovechando mejor los subproductos industriales y reduciendo la demanda de cemento nuevo. El trabajo también subraya la necesidad de ensayos adicionales en condiciones más realistas de temperatura, humedad y cargas, pero apunta hacia un futuro en el que lo que fue un residuo de carbón se convierta en un ingrediente fiable en infraestructuras hidráulicas duraderas.

Cita: Qin, L., Gong, M., Zhang, H. et al. Effect of CaO content in Class C fly ash on the deformation properties of fully-graded concrete. Sci Rep 16, 8122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38630-4

Palabras clave: hormigón con ceniza volante, construcción de presas, retracción y agrietamiento, reemplazo de cemento, residuo industrial rico en calcio