Desbloqueando la reactividad de las cenizas de fondo de la incineración de residuos sólidos urbanos mediante coactivación fisicoquímica para mejorar el rendimiento cementicio

Convertir la basura en edificios más resistentes

Las ciudades modernas queman grandes cantidades de residuos domésticos para recuperar energía, pero este proceso deja un residuo granular llamado ceniza de fondo. Gran parte de esta ceniza acaba en vertederos, desperdiciando espacio y materiales. El estudio descrito aquí explora cómo esa ceniza podría mejorarse para convertirse en un ingrediente útil del hormigón, ayudando a reducir tanto el volumen de residuos como la huella de carbono de la construcción.

El potencial oculto en los residuos quemados

Cuando se incineran los residuos domésticos, los restos más pesados se acumulan en la base del horno como ceniza de fondo. Este material es una mezcla caótica de granos y fragmentos que contienen muchos de los mismos elementos básicos que se encuentran en el cemento, como calcio, silicio y aluminio. Sobre el papel, eso lo convierte en un candidato prometedor para sustituir parte del cemento en el hormigón. En la práctica, sin embargo, la ceniza de fondo sin tratar es voluminosa, químicamente inestable y está salpicada de componentes problemáticos como aluminio metálico y sales. Estos pueden generar burbujas de gas, poros adicionales e incluso fisuración en el interior del hormigón, debilitando las estructuras y planteando dudas sobre la seguridad y la contaminación a largo plazo.

Por qué las soluciones simples no bastan

Los investigadores han probado dos tipos principales de soluciones. Una es puramente física: moler la ceniza hasta obtener un polvo más fino para que se compacte mejor y exponga más superficie para reaccionar. La otra es puramente química: remojarla o tratarla con soluciones alcalinas para eliminar sustancias nocivas y modificar su química superficial. Cada método aporta alguna mejora, pero ninguno por sí solo convierte de forma fiable la ceniza de fondo en un material consistente y con buen comportamiento cuando se incorpora al cemento. Los granos vítreos y gruesos siguen siendo poco reactivos, mientras que los metales y las sales residuales pueden seguir generando gas y dejando una estructura porosa y frágil.

Un cambio de imagen en dos pasos para las partículas de ceniza

El equipo detrás de este estudio propuso una vía combinada que denominan coactivación fisicoquímica. Primero, la ceniza se muele en un tambor giratorio, rompiendo aglomerados, reduciendo el tamaño de las partículas y creando una red de microfisuras. Esto expone superficies nuevas ricas en componentes reactivos que antes estaban protegidos. A continuación, la ceniza molida se remoja durante un día en una solución de hidróxido de calcio de concentración moderada, un químico alcalino común y económico. Durante este baño, algunas capas superficiales se disuelven, especies de silicio y aluminio atrapadas se liberan al líquido y iones de calcio adicionales se fijan a las superficies recién abiertas. Tras enjuagar y secar, esta ceniza pretratada sustituye al 30 por ciento del cemento en mezclas de mortero estándar.

Observando cambios en calor, resistencia y poros

Para comprobar si el tratamiento en dos pasos realmente ayuda, los investigadores monitorizaron cuánto calor desprendían las mezclas al fraguar, cómo aumentaba su resistencia con el tiempo y cuál era su estructura interna. Las mediciones térmicas mostraron que solo el triturado aceleraba las reacciones tempranas, mientras que solo el remojo desplazaba el momento de la reacción pero no restauraba totalmente la actividad. Cuando se combinaron ambos pasos y la solución de remojo se ajustó a una fuerza moderada, la mezcla presentó un estallido de reacción intenso y bien sincronizado. Tras 28 días, los morteros con ceniza coactivada alcanzaron resistencias a compresión superiores a los fabricados con solo ceniza molida, acercándose al rendimiento de morteros de cemento puro mientras utilizaban significativamente menos cemento.

Dentro del hormigón: de huecos a esqueleto denso

Microscopios y escaneos por rayos X revelaron por qué mejoró el rendimiento. En mezclas hechas solo con ceniza molida o solo con ceniza remojada, el material endurecido aún contenía huecos dispersos, microfisuras e interfaces mal adheridas donde los granos de ceniza se encontraban con la pasta de cemento. En contraste, la ceniza coactivada condujo a una estructura estrechamente entrelazada, tipo panal, en la que productos de reacción finos llenaban los huecos y recubrían las partículas de ceniza con un gel continuo. Las mediciones de porosidad a distintas escalas mostraron que este tratamiento redujo la porosidad global y desplazó el sistema poroso hacia poros mucho más finos y distribuidos de manera más uniforme. Los investigadores también observaron que si la solución de remojo era demasiado concentrada, se formaban cristales en exceso sobre las superficies de las partículas, bloqueando reacciones posteriores y dejando poros mayores que perjudican la resistencia.

Qué significa esto para una construcción más ecológica

En términos simples, el estudio demuestra que someter la ceniza de fondo a un “doble tratamiento” cuidadosamente ajustado puede convertirla de un residuo problemático en un auxiliar fiable para el hormigón. Combinando un breve molido mecánico con un remojo alcalino suave, y evitando soluciones excesivamente concentradas, la ceniza se transforma en un polvo fino y reactivo que contribuye a formar una matriz cementicia densa y duradera. Este enfoque utiliza equipos industriales existentes y productos químicos económicos, lo que sugiere que podría ampliarse en plantas de energía con recuperación térmica y fábricas de hormigón. Si se adopta ampliamente, dicho tratamiento podría reducir la necesidad de cemento nuevo, disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero y desviar grandes volúmenes de ceniza de incineradora de los vertederos hacia edificios e infraestructuras de larga vida.

Cita: Zhu, Z., Zhang, Y., Yang, J. et al. Unlocking the reactivity of municipal solid waste incineration bottom ash through physicochemical co-activation toward improved cementitious performance. Sci Rep 16, 9692 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43059-w

Palabras clave: residuo a recurso, hormigón con ceniza de fondo, materiales cementicios suplementarios, construcción baja en carbono, microestructura del cemento