preparación y como materia prima cenizas de cáscara de arroz
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UNIVERSIDAD DE JAÉN Facultad de Ciencias Experimentales
Trabajo Fin de Grado
Alumno: Sara Ruiz Molina
Junio, 2017
Preparación y caracterización de
geopolímeros empleando como materia prima
cenizas de cáscara de arroz
UNIVERSIDAD DE JAÉN
Facultad de Ciencias Experimentales
GRADO EN QUÍMICA
Trabajo Fin de Grado
PREPARACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE
GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO COMO
MATERIA PRIMA CENIZAS DE CÁSCARA DE
ARROZ
Trabajo Fin de Grado presentado por:
Sara Ruiz Molina
Jaén, Junio de 2017
Fdo. Sara Ruiz Molina
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ÍNDICE
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1. RESUMEN…………………………………………………………………………................... 1
2. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………......... 2
2.1. Cemento Portland y Geopolímeros…………………………….………………… 2
2.1.1. Cáscara de arroz y su ceniza………………………….…….................... 4
2.1.2. Residuo de la industria del aluminio…………….…………….................4 5
2.2. Antecedentes…………………………………………………………................... 5
2.2.1. Tendencias para una edificación sostenible……………..………………. 5
2.2.2. Valorización de residuos………………………………………................. 7
2.2.3. Ceniza de cáscara de arroz y residuos de la industria del
aluminio………………………………………………………………………
8
2.2.4. Geopolímeros……………………………………..................................... 9
2.3. Objetivos…………………………………………………………............................... 12
3. EXPERIMENTAL……………………………………………………………........................... 13
3.1. Materiales……………………………………………………………………………… 13
3.1.1. Ceniza de cascara de arroz (CCA)……………………………………….. 14
3.1.2. Polvo de filtro de la industria del aluminio (PFA)……………………….. 14
3.1.3. Silicato de sodio……………………………….........................................
3.1.4. Otros materiales empleados……………………………………………….
3.2. Equipos y procedimientos experimentales…………………………………………
3.2.1. Caracterización de las materias primas…………………………………..
3.2.1.1. Fluorescencia de Rayos X (FRX)…………………………….
3.2.1.2. Contenido en materia orgánica y carbonatos……………….
3.2.1.3. Superficie específica y densidad relativa………………….
3.2.1.4. Distribución granulométrica……………………………………
3.2.1.5. Determinación de las fases mineralógicas mediante
DRX…………………………………….....................................
3.2.1.6. Caracterización microestructural (SEM)……………………….
3.2.2. Preparación de los geopolímeros porosos………………………………….
3.2.2.1. Preparación de la disolución activante………………………..
3.2.2.2. Preparación de geopolímeros…………………………………
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3.2.3. Optimización del método…………………………………………………….
3.2.4. Caracterización de los geopolímeros porosos……………………………..
3.2.4.1. Determinación de propiedades físicas…………………………
3.2.4.1.1. Densidad aparente (kg/m3)…………………………..
3.2.4.1.2. Porosidad aparente (%)…………………………………
3.2.4.1.3. Absorción de agua (%)……………………...................
3.2.4.2. Determinación de las propiedades mecánicas. Medidas
de resistencia a la compresión………………………………….
3.2.5. Espectroscopia de Infrarrojo por Transformada de Fourier
(FTIR)……………………………………………………………..................
3.2.6. Determinación del Grado de Reacción (%)………………………………..
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN………………………………………………………………….
4.1. Caracterización de las materias primas……………………………………………….
4.2. Preparación de geopolímeros. Optimización del método………………………….
4.3. Caracterización de los geopolímeros porosos………………………………………..
4.3.1. Espectroscopia de Infrarrojo por Transformada de Fourier
(FTIR)……………………………………………………………….................
4.3.2. Determinación de las fases mineralógicas (DRX)………………………..
4.3.3. Grado de reacción (%)………………………………….………………………
4.3.4. Densidad aparente (kg/m3)………………...………………………………….
4.3.5. Porosidad aparente (%)………………….....…………………………….
4.3.6. Absorción de agua (%) …………………………………………………....
4.3.7. Determinación de las propiedades mecánicas. Resistencia a
compresión …..……………………………………………………………..
4.3.8. Caracterización microestructural (SEM) …………………………………
5. CONCLUSIONES ..............…………………………………………………………………….
6. BIBLIOGRAFÍA …………..……………………………………………………………………..
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Representación de sialatos……………………………………………………………...
Figura 2. Mecanismo de geopolimerización…………..…………………………………………
Figura 3. Modelo descriptivo de la activación alcalina de aluminosilicatos……………..……
Figura 4. Cenizas de cáscara de arroz (CCA)…………………………………………………..
Figura 5. Polvo de filtro de la industria del aluminio (PFA)………………………………………
Figura 6. Duquesitas de PE como moldes para el geopolímero……………………………….
Figura 7. Muestra tras las 24 horas……………………………………………………………….
Figura 8. Prensa de laboratorio …………………………………………………………………….
Figura 9. Distribución de tamaño de partícula de las CCA y PFA………………………………
Figura 10 (a). DRX de los residuos empleados como materia prima CCA…………………….
Figura 10 (b). DRX de los residuos empleados como materia prima PFA……………………..
Figura 11. Micrografía SEM y análisis EDAX de las CCA……………………………………….
Figura 12. Micrografía SEM y análisis EDAX de PFA…………………………………………….
Figura 13. Muestras desmoldadas Si/Al=6………………………………………………………..
Figura 14. FTIR de cenizas de cáscara de arroz………………………………………………
Figura 15. FTIR del geopolímero con relación molar Si/Al=7 a los 7 y 28 días de curado…
Figura 16. FTIR de los geopolímeros con relación molar Si/Al=4, 5 y 6 a los 28 días de
curado…………………………………………………………………………………..
Figura 17. DRX del geopolímero de relación molar Si/Al=7……………………………………..
Figura 18. DRX del geopolímero con relación molar Si/Al=7 a los 7 y 28 días de curado…
Figura 19. DRX de los geopolímeros con relación molar Si/Al=4, 5 y 6 a los 28 días de
curado………………………………………………………………………………………
Figura 20. Evolución del grado de reacción con el tiempo de curado para las distintas
relaciones molares Si/Al…………………………………………………………………
Figura 21. Evolución de la densidad aparente con el tiempo de curado………………………
Figura 22. Sección del material geopolimérico……………………………………………………
Figura 23. Evolución de la porosidad aparente con el tiempo de curado………………………
Figura 24. Evolución de la absorción de agua con el tiempo de curado………………………
Figura 25. Evolución de la resistencia mecánica con el tiempo de curado…………………..
Figura 26. SEM a un aumento de 250 X. Geopolímeros Si/Al=4 (izquierda) y Si/Al=5
(derecha)………………………………………………………………………………..
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Figura 27. SEM-EDAX del geopolímero Si/Al=4 (28 días)……………………………………
Figura 28. SEM a un aumento de 250 X. Geopolímeros Si/Al=6 (izquierda) y Si/Al=7
(derecha)……………………………………………………………………………….
Figura 29. SEM a un aumento de 3k X. Geopolímero Si/Al=7 ………………………………
Figura 30. SEM-EDAX del geopolímero Si/Al=7 (28 días)…………………………………….
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Composición del Silicato de Sodio Comercial………………………………………..
Tabla 2. Condiciones para optimización del método…………………………………………….
Tabla 3. Distribución de tamaño de partículas de los residuos………………………………….
Tabla 4. Composición química de los residuos empleados como materia prima……………..
Tabla 5. Cantidades empleadas para una muestra de geopolímero…………………………..
Tabla 6. Grado de Reacción (%). Geopolímeros a los 7 y 28 días de curado………………..
Tabla 7. Resultados densidad aparente (kg/m3)………………………………………………….
Tabla 8. Resultados porosidad aparente (%)…………………………………………………..
Tabla 9. Resultados absorción de agua (%)………………………………………………………
Tabla 10. Resultados resistencia mecánica (MPa)……………………………………………..
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1. RESUMEN
En la construcción civil, la producción de cemento es la mayor emisora de CO2 entre
todos los materiales y, por lo tanto, es necesario encontrar alternativas más
sostenibles. Los geopolímeros son polímeros inorgánicos de aluminosilicatos
sintetizados por activación alcalina de materiales ricos en Si y Al. Los geopolímeros
porosos también son de gran interés debido a la búsqueda de nuevas aplicaciones.
En este trabajo, se han estudiado materiales geopoliméricos porosos sintetizados a
partir de dos residuos: cenizas de cáscara de arroz y polvo de filtro de la industria
del aluminio, activados con una solución de silicato sódico e hidróxido sódico. Se
han estudiado las propiedades químicas, físicas y mecánicas en función de la
relación molar Si/Al y del tiempo de curado. Los geopolímeros porosos obtenidos
fueron caracterizados por Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier
(FTIR), Difracción de Rayos X (DRX) y Microscopía Electrónica de Barrido (SEM).
Los resultados indican que la densidad aparente disminuye mientras que la
absorción de agua, porosidad aparente y resistencia a la compresión aumentan al
incrementar la relación molar Si/Al a los 7 días de curado. Sin embargo, esta
tendencia no se mantiene para tiempos de curado más altos (28 días). La densidad
aparente disminuye; la absorción de agua y porosidad aparente aumentaron en
mayor proporción sobre todo para la relación molar Si/Al=4; sin embargo, la
resistencia a la compresión se mantuvo prácticamente constante para las relaciones
molares Si/Al=4 y 5. Las mejores propiedades mecánicas se obtuvieron para los
geopolímeros porosos con una relación molar Si/Al=7 mostrando una resistencia a la
compresión de 1,8 MPa y una densidad aparente de 716 kg / m3.
ABSTRACT
In civil construction, cement production is the largest emitter of CO2 among all
materials and, therefore, it is necessary to find more sustainable alternatives.
Geopolymers are inorganic aluminosilicates polymers synthesized by alkaline
activation of materials rich in Si and Al. Porous geopolymers are also of great interest
because of the search for new applications. In this work, porous geopolymeric
materials synthesized from two residues: rice husk ash and filter powder from the
2
aluminum industry, activated with a solution of sodium silicate and sodium hydroxide
were studied. Chemical, physical and mechanical properties have been studied as a
function of Si/Al molar ratio and curing time. The porous geopolymers obtained were
characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-Ray Diffraction
(XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM). The results indicate that bulk
density decreased while water absorption, apparent porosity and compressive
strength increase with increasing Si/Al molar ratio at 7 days of curing. However, this
trend is not maintained for higher curing times (28 days). The bulk density
decreased, the water absorption and the apparent porosity increased in a higher
proportion especially for the Si/Al=4 molar ratio; however, the compressive strength
remained practically constant for the molar ratios Si/Al=4 and 5. The best mechanical
properties were obtained for porous geopolymers having a Si/Al=7 molar ratio
showing a compressive strength of 1.8 MPa and a bulk density of 716 kg/m3.
2. INTRODUCCIÓN
2.1. Cemento Portland y geopolímeros
El cemento Portland (CP) es un material usado en la fabricación de hormigones y
morteros en obras civiles entre otras aplicaciones. Es el principal responsable de la
degradación ambiental del planeta en el sector de la construcción, al ser el material
más consumido y uno de los principales agentes causantes del calentamiento global.
Dentro de los cementos hidráulicos destaca el cemento Portland ordinario (CPO),
éste se obtiene en la molienda del clínker, producto que resulta del tratamiento
térmico a temperaturas próximas a las del fundido parcial de materias primas como
arcillas y calizas, con contenido en CaO, SiO2, Al2O5 y Fe2O3, junto con otros óxidos
en pequeñas cantidades. Otro componente importante en el CPO es el ortosilicato
de calcio, C2S (Álvarez., 2010).
Actualmente, es un hecho que el calentamiento global es la gran amenaza ambiental
y económica, siendo éste provocado por emisiones de gases de efecto invernadero
debido principalmente a factores antropogénicos. Dentro de los denominados “gases
de efecto invernadero” destaca el CO2, del cual se liberan grandes cantidades a la
3
atmósfera en la producción del CP (900 kg de CO2 por tonelada de cemento
producido) y gases como NOx y SOx asociados a la descarbonatación de la caliza en
el horno de clinkerización, así como a la quema de combustibles fósiles (Bouzón,
2015).
Hoy en día, existe un alto interés en la búsqueda de materiales cementantes que
permitan mejorar propiedades químicas, físicas y mecánicas. Por otro lado, se
buscan soluciones para conservar los recursos no renovables mediante el desarrollo
de materias primas y combustibles para la mejora de los procesos de producción y la
calidad de los productos, enmarcado en las políticas de sostenibilidad de los
diferentes acuerdos internacionales. Además, con el fin de reducir el coste de la
fabricación del cemento, se ha propuesto reutilizar los desechos industriales y
buscar cementos que presenten características especiales debidas a la adición de
algunos de estos desechos para aprovechar la naturaleza puzolánica de los mismos
(Sierra, 2009). Surge, por tanto, la necesidad de fabricar nuevos cementos donde la
liberación de CO2 sea menor. Los cementos geopoliméricos pueden convertirse en
una alternativa al hormigón de cemento. Davidovits afirma que para cada tonelada
de geopolímero producido se emite sólo 0,15 a 0,20 toneladas de CO2 (Davidovits,
2005).
El desarrollo de nuevos materiales y técnicas, ha llevado al desarrollo de
hormigones especiales, entre éstos, se encuentra el hormigón ligero, que muestra
gran potencial debido a su reducción de peso; considerando su resistencia
mecánica, además posee baja conductividad térmica y acústica. El hormigón ligero
presenta una estructura porosa que se puede obtener usando agregados ligeros o
aditivos incorporadores de aire como polvo de aluminio o zinc, peróxido de
hidrógeno y cal clorada que, con otros componentes presentes en el mortero,
generan poros o células de hidrógeno (Onatai et al., 2016). El hormigón con gran
contenido en poros tendrá buenas propiedades térmicas y acústicas, pero afecta
directamente la resistencia mecánica del material debido a la alta cantidad de aire
atrapado dentro de su estructura.
En base a las ventajas de las pastas geopoliméricas se han fabricado geopolímeros
porosos empleando, como fuente de sílice, cenizas de arroz y, como fuente de
aluminio y aditivo formador de poros de aire, un residuo de la industria de aluminio.
4
2.1.1. Cáscara de arroz y su ceniza
El arroz es conocido como uno de los alimentos más comunes e importantes del
mundo. Su producción anual mundial es de 742 millones de toneladas
aproximadamente, lo cual ronda en España las 750.000 toneladas convirtiéndola en
el segundo productor de arroz a nivel europeo, detrás de Italia.
De la industria arrocera se obtiene como subproducto la cáscara de arroz (20% de la
producción de arroz total) (Bouzón, 2015). Ésta se emplea de forma restringida en la
elaboración de alimento para animales, debido a su alto contenido en sílice (SiO2)
(Mafla, 2009). Debido a su constitución físico-química, la cáscara de arroz es un
desecho muy difícil de biodegradar, quedando la cáscara a granel como residuo
agroindustrial. Además, por su baja densidad (100 kg/m3), ocupa grandes volúmenes
y crea un gran problema en la evacuación y transporte de ésta, ya que implica altos
costos y un impacto ambiental perjudicial al contaminar las fuentes de agua.
Una de las formas de eliminar este residuo es por combustión, generando entre un
13% a 29% de ceniza en base al peso de cáscara de arroz, junto con humos
contaminantes. Además, como combustible genera calor, debido a su valor calorífico
aproximadamente 16.720 kJ/kg; la ceniza que resulta contiene un porcentaje en
sílice superior al 90%, esto la convierte en una fuente importante de sílice, con
pequeñas cantidades de sales inorgánicas (Mafla, 2009).
Además de la incorporación de la ceniza de cáscara de arroz (CCA) en matrices de
cemento Portland, otra de las vías de reutilización de la CCA es en los
conglomerantes activados alcalinamente, tanto como fuente de sílice para la
preparación del activador alcalino, como parte de la materia prima, como se verá en
este trabajo.
5
2.1.2. Residuo de la industria del aluminio
El aluminio puede ser reciclado casi completamente. Debido a ello, existen procesos
industriales para obtención de aluminio secundario o de segunda fusión, obtenido a
partir de la transformación del aluminio y chatarras, que reciclan el aluminio primario,
dando lugar a varios subproductos. Los residuos generados en la etapa de fusión del
aluminio secundario son escorias salinas (más de 500 kg/T Al), escorias de aluminio
(menos de 10.000 T/año) y finos de filtro de horno (más de 35 kg/T Al) (Ministerio de
Industria y Energía. Directiva 96/61).
El residuo empleado en este estudio se genera en los filtros instalados en los
diferentes focos emisores, como por ejemplo hornos rotativos, y secadores de
virutas. Las materias primas que producen el residuo son escorias de aluminio
(primaria y de horno) mediante fusión, espumas de aluminio mediante fusión, virutas
de aluminio mediante fusión y chatarras de aluminio (recortes, cárter y radiadores)
mediante secado y fusión. Los procesos de producción en esta industria se han
desarrollado para potenciar la reutilización de los residuos generados en el proceso
o producir residuos en forma que permita su reutilización.
Actualmente parte de este residuo se depura y se utiliza en la industria del acero,
parte se emplea como sellador de grietas de carretera, aunque la mayoría es, por lo
general, depositado en vertedero o eliminado sin tratamiento, por lo que causa
muchos daños ambientales (Shinzato e Hypolito, 2005).
2.2. Antecedentes
2.2.1. Tendencias para una edificación sostenible
En 1987 surgió el concepto de “desarrollo sostenible” como aquel que asegura las
necesidades del presente sin comprometer la capacidad de futuras generaciones
para enfrentarse a sus propias necesidades; siendo una actividad sostenible aquella
que se puede mantener. Actualmente se busca construir de forma sostenible,
6
aprovechando los recursos naturales, para así preservar el medio natural y utilizarlos
de manera adecuada (Comisión Mundial sobre Ambiente y Desarrollo, 1987).
El sector de la construcción es uno de los pilares de la economía a nivel mundial y
uno de los principales gestores de desarrollo. Representa en torno al 60% de las
extracciones de la litosfera, produce aproximadamente el 40% de los desechos
sólidos que no son aprovechados, consume el 32% del total de los recursos en el
mundo, el 12% del agua potable, el 40% de la energía y genera el 38% de las
emisiones de gases de efecto invernadero con la consecuente incidencia sobre el
cambio climático, esto lo convierte en una de las actividades menos sostenibles del
planeta (EU Energy and Transport in Figures, 2009; Proposal for a recast of the
EPBD, 2008). Ante esto, se plantean diferentes iniciativas relacionadas con la
sostenibilidad y protección del medio ambiente en la construcción: En España el
Real Decreto 1630/92, de 29 de diciembre de 1992, sobre productos de
construcción, fue la primera legislación española relativa al análisis ambiental de los
productos de construcción. Posteriormente la Ley 38/1999, de 5 de noviembre, sobre
Ordenación de la Edificación (LOE), estableció como requisitos básicos los relativos
a la protección del medio ambiente. Por último, el Código Técnico de la Edificación
(CTE), RD 314/2006, de 17 de marzo, establece un número significativo de
requisitos medioambientales en sus documentos básicos.
La evaluación del impacto ambiental de un edificio se calcula por su repercusión a lo
largo de toda su vida útil. Así, la energía que se consume en los edificios representa
el principal coste para el medio ambiente. Además, se incluyen otros factores como
el tipo de materiales utilizados, el grado de reutilización de residuos y la calidad del
ambiente interior (calidad del aire, aislamiento acústico, etc.). La energía utilizada
para la extracción de materias primas y la fabricación de los materiales de
construcción representa un porcentaje alto del consumo energético durante el ciclo
de la vida de la edificación, por lo que el uso de declaraciones ambientales de
producto, hasta hace unos años voluntarias, empieza a exigirse a través de
reglamentación nacional en algunos países de la Unión Europea (Directiva
89/105/CEE, 1988).
7
2.2.2. Valorización de residuos
El Real Decreto 653/2003, de 30 de mayo, sobre incineración de residuos,
contempla en su ámbito de aplicación la valorización energética de residuos en
hornos de cemento, utilizados como combustibles no convencionales en sustitución
de los combustibles fósiles convencionales en la cocción de materias primas
(Fundación Laboral del Cemento y el Medio Ambiente). El proceso de fabricación de
cemento requiere gran cantidad de energía (los costes energéticos suponen
alrededor del 30% de los costes totales), sobre todo en la etapa de generación del
clínker. Para que el impacto en el medio ambiente sea el menor posible y aporte un
beneficio extra a la sociedad, la industria cementera sustituye parte de estos
combustibles por residuos, denominados combustibles alternativos (valorización
energética). Asimismo, en el proceso de fabricación del cemento se utilizan materias
primas, parte de las cuales se sustituyen por residuos que contengan minerales
necesarios para el proceso o que aporten características que mejoren las
propiedades del cemento (valorización material). De esta manera, la industria
cementera ofrece a la sociedad, a través del proceso de producción de cemento,
una opción más sostenible para la recuperación de residuos generados en otras
actividades y que, en muchos casos, irían a parar a un vertedero.
La valorización energética y material de residuos en la industria cementera aporta
beneficios para el medio ambiente en cuanto a gestión de residuos y ahorro
energético se refiere: Permite el ahorro de materias primas necesarias para la
fabricación del clinker, disminuye el consumo de combustibles fósiles, reduce las
emisiones globales de gases de efecto invernadero, aporta una solución sostenible
al problema de los residuos al mismo tiempo que económica. A pesar de todo esto
sigue siendo una industria muy contaminante.
La búsqueda de nuevos materiales cerámicos con menor consumo energético
durante su fabricación y menor emisión de gases de efecto invernadero, ha dado
lugar a materiales cerámicos que emplean residuos basados en la
geopolimerización, tecnología que será descrita en el subapartado ”2.2.5.
Geopolímeros.”.
8
2.2.3. Cenizas de cáscara de arroz y residuos de la industria del aluminio
En Andalucía la producción de energía por co-combustión de biomasa se está
convirtiendo en una de las mejores alternativas a los combustibles fósiles. Las
políticas impulsadas por el gobierno español para aumentar el uso de energías
renovables ha causado un notable aumento, no sólo en kilovatios (kW) producidos
sino también en la cantidad de cenizas generadas (Abu Bakar et al., 2013).
En la producción de arroz, su cáscara es el principal residuo obtenido a nivel
mundial. Este residuo puede acumularse en el ambiente, dando origen a graves
problemas medioambientales debido a su baja degradabilidad originada por su alto
contenido en sílice. Tiene potencial para generar bioenergía, debido a su alto poder
calorífico: Una tonelada de cáscara de arroz puede generar 800 kW (Zafar, 2015).
Este combustible sostenible de biomasa consta de aproximadamente un 40% en
peso de celulosa, 30% en peso de lignina y 20% en peso de sílice (He et al., 2013).
Con la combustión de la cáscara de arroz se logra reducir el volumen total de ésta
en, aproximadamente, un 80%, ya que la ceniza resultante de la combustión
controlada de la cáscara estará formada por sílice de elevada pureza en forma
amorfa o cristalina dependiendo de la combustión. Sólo una pequeña cantidad de
cenizas de cáscara de arroz son usadas en una amplia gama de aplicaciones tales
como fabricación de geles de sílice y chips de silicio, síntesis de carbón activo y
sílice, catalizadores, zeolitas, producción de materiales de construcción ligeros,
ingredientes para baterías de iones de litio, grafeno, captura de carbono y uso en la
industria cementera como producto puzolánico de excelente rendimiento (Cuenca et
al., 2013; Eliche-Quesada et al., 2017). También existen investigaciones en las que
se incorporan la CCA junto con otra puzolana como materia prima a activar durante
el proceso de geopolimerización (Olivia y Nikraz, 2012; Bouzón, 2015).
La producción de aluminio secundario genera residuos, por lo que es necesario
buscar una alternativa para estos residuos para evitar la contaminación ambiental.
Una solución es su utilización como materia prima en la producción de productos ya
existentes o nuevos, mejorando sus características físicas, mecánicas o químicas.
Estos residuos han sido estudiados con otros materiales alternativos para producir
agregados ligeros de arcilla, como agregado a bloques de hormigón sin función
9
estructural, agregado para hormigón refractario y cementos de alto contenido en
alúmina diseñados específicamente para aplicaciones de alta temperatura (Shinzato
e Hypolito, 2005 ; Satish Reddy y Neeraja, 2016) como adición en vidrios de
aluminato de calcio (López et al., 2009), como sustituto de los componentes finos en
materiales refractarios (Yoshimura et al., 2008) o como soportes de membranas
cerámicas (Zhaoling et al., 2016). No obstante, el principal factor que afecta a las
posibilidades de la utilización del aluminio procedente como residuo de la industria
metalúrgica como materia prima, dependerá de la composición química y de la
fuente de aluminio. Por tanto, el empleo como materia prima de subproductos de
otros procesos productivos es una opción que encaja con los principios del
desarrollo sostenible, ya que permite la reutilización de materiales que a día de hoy
son considerados como residuos y que otorgan al material cerámico sostenible
propiedades distintas de las que actualmente posee, constituyendo una oportunidad
única para el desarrollo de nuevos materiales.
2.2.4. Geopolímeros
La geopolimerización es una reacción geosintética de aluminosilicatos en un fuerte
medio alcalino, a temperatura ambiente o ligeramente elevada, para formar un
polímero o geopolímero de aluminosilicato amorfo o semicristalino (He et al., 2012).
Esta reacción comienza cuando se ponen en contacto un material compuesto
fundamentalmente por Al y Si (en forma de aluminosilicato) con una solución
activadora alcalina, consiguiendo la formación de una nueva estructura formada por
cadenas poliméricas. Dichas cadenas surgen a raíz de la policondensación de los
iones silicato y aluminato que forman unidades tetraédricas llamadas sialato (Lizán
et al.; Sierra, 2009).
El elemento básico de un geopolímero es una cadena tetraédrica de Si y Al
mediante un intercambio de átomos de oxígeno. Los geopolímeros poseen
estructuras de aluminosilicatos tridimensionales consistiendo en tetraedros de SiO4 y
Al2O4 unidos al compartir todos los átomos de oxígeno (Shi et al., 2011). Debido al
estado de oxidación 3 del Al en el tetraedro, en las cavidades formadas en la red se
asocian al aluminio iones positivos tales como Ni+, Li+, Ca2+, Ba2+, H3O+ o NH4
+. La
10
formación de estos sialatos (silico-oxo-aluminatos) de la red (Figura 1) compuestos
de tetraedros SiO4 y AlO4 unidos mediante átomos de oxígeno, se basa en la
siguiente fórmula empírica (Van Deventer et al., 2006; Provis y Van Deventer, 2014):
𝑀𝑛(−(𝑆𝑖𝑂2)𝑧 − 𝐴𝑙𝑂2)𝑛 ∗ 𝑤𝐻2𝑂 (𝐸𝑐. 1)
Donde z es un valor entero (1, 2 o 3), M es un catión monovalente, n es el grado de
policondensación y w es el número de moléculas de agua asociadas.
La estructura sialato lleva una carga negativa debido a la sustitución de Si4+ con Al3+.
El exceso de carga se ve compensada por un catión de metales alcalinos (Na+ o K+).
Basándose en el número de átomos de Si sustituidos por el Al, se cree que hay tres
tipos diferentes de estructuras monoméricas -Si-O-Al- que define los geopolímeros.
Según el valor de z, se puede distinguir entre las diferentes redes posibles, siendo
z=1 polisialato (PS), z=2 poli (sialato-silioxo) (PSS) y z=3 poli (sialato-disilioxo)
(PSDS).
Figura 1. Representación de sialatos (Rodríguez et al., 2009).
Durante la reacción, el gel geopolimérico se introduce en los intersticios y, cuando el
gel se va endureciendo, las partículas que se encuentran separadas de Al y Si se
unen, creando una matriz con buenas propiedades mecánicas (Komnitsas, 2011). El
mecanismo propuesto por Davidovits para la geopolimerización a partir de NaOH o
KOH, es el siguiente (Ordóñez, 2007):
Figura 2. Mecanismo de geopolimerización.
11
Los polímeros inorgánicos o geopolímeros, son formados por redes 3D amorfas de
tetraedros alternados de gran estabilidad térmica y química, no inflamables, con
buenas prestaciones mecánicas y fácilmente procesables a temperaturas inferiores
a 100ºC y presión atmosférica. También son conocidos como “aluminosilicatos
inorgánicos” y tienen un elevado potencial para ser usados en numerosos campos,
predominando el uso como sustitutos de cementos Portland.
También conocidos como conglomerantes activados alcalinamente, son una
alternativa sostenible a los cementos comunes debido a las bajas emisiones de CO2,
pudiendo llegar a minimizar ésta hasta en un 80% respecto a la emisión por la
producción del cemento Portland, además de obtener rendimientos comparables.
Estos materiales presentan, en general, propiedades mejoradas como mayor
durabilidad y estabilidad e incluso una mayor resistencia mecánica a 24 horas tras
su fabricación (Davidovits, J., 1991).
Figura 3. Modelo descriptivo de la activación alcalina de aluminosilicatos (Shi et al., 2011).
Cambiando la relación molar Si/Al se pueden sintetizar geopolímeros con distintas
propiedades. Los geopolímeros no sólo ofrecen rendimiento comparable a los
cementos Portland en muchas aplicaciones, sino que, además, tienen ventajas
adicionales como el rápido desarrollo de resistencia mecánica, buena durabilidad,
resistencia superior al ataque químico, capacidad de inmovilizar contaminantes y
una significante reducción del consumo de energía y de las emisiones de gases de
efecto invernadero (Duxson et al., 2007; Instituto de Ciencia de Materiales de
Madrid, CSIC)
12
Recursos materiales para la formación de geopolímeros
La materia sólida fundamental para la geopolimerización es el aluminosilicato. Como
fuente de Al y Si se utilizan residuos y escorias, además de otras fuentes naturales.
A parte de las cenizas volantes, las escorias de altos hornos han sido utilizadas con
asiduidad. Las escorias resultan ser importantes como materias primas en la
formación de geopolímeros, destacando por su gran resistencia física (Olivia y
Nikraz, 2012; Bouzón, 2015).
La activación alcalina consiste en una reacción de polimerización donde el precursor
(residuos o escorias), mezclado con una solución de elevada alcalinidad (activador),
forma el geopolímero o cemento activado alcalinamente. El activador está formado
por compuestos con elevada alcalinidad (hidróxidos, silicatos o carbonatos), que son
capaces de disolver los materiales silicoaluminosos presentes en el precursor. La
solución activadora debe contener la disolución de los elementos que formarán la
red de polisialatos y producir la activación de los enlaces superficiales del material
sólido.
Las soluciones activadoras más habituales son aquellas que introducen iones OH-
(NaOH y KOH) que disuelven la alúmina y sílice reactivas, mientras que los
elementos alcalinos Na+ y K+ se introducen en los tetraedros, pasando a ser parte de
la estructura. Es de gran importancia la alcalinidad del medio, ya que la
manejabilidad depende de la misma, comportándose de una forma viscosa y poco
plástica cuando no se alcanza. La elección de la alcalinidad óptima no es sencilla ya
que, aunque una alta concentración conlleva una mejor disolución de los
aluminosilicatos, que significa según algunos estudios, un mejor comportamiento
mecánico del geopolímero, una concentración demasiado alta está comprobado que
estropea la resistencia a largo plazo (Olivia y Nikraz, 2012).
2.3. Objetivos
13
El objetivo general del trabajo es la valorización y aprovechamiento de dos residuos
para la obtención de materiales de construcción sostenibles, mediante el método de
geopolimerización. Para ello se han empleado como materias primas de los nuevos
materiales geopoliméricos porosos cenizas de cáscara de arroz (CCA), como fuente
de sílice, y polvo de filtro de una industria de producción de aluminio secundario
(PFA) como fuente de aluminio y formador de poros. Ambas materias primas fueron
activadas alcalinamente mediante una solución de hidróxido sódico y silicato sódico.
Además, también se pretende alcanzar los siguientes Objetivos Técnicos:
1) Analizar la composición de las materias primas empleadas. Se determinará la
composición de las CCA y PFA.
2) Evaluar las relaciones molares Si/Al y el tiempo de curado más adecuado
para formación de los geopolímeros porosos.
3) Estudiar las propiedades físicas y mecánicas del material geopolimérico
poroso obtenido en función de la relación molar Si/Al y del tiempo de curado.
También se estudiará mediante ensayos el grado de reacción de los
geopolímeros obtenidos.
4) Estudiar las propiedades microscópicas mediante estudios de Microscopía
Electrónica de Barrido (SEM), y mineralógicas mediante DRX y FTIR, al
objeto de poder obtener materiales con las propiedades adecuadas,
controlando la relación molar Si/Al y el tiempo de curado.
Además, se pretende poner a disposición de la industria de la construcción una
alternativa fiable, innovadora, ecológica, económicamente viable y competitiva para
la producción de nuevos geopolímeros porosos, así como dar un beneficio al medio
ambiente, reduciendo la cantidad de CCA y PFA que se depositan en vertedero y la
reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.
3. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL.
3.1. Materiales
14
Los residuos utilizados como materias primas en el proceso de producción del
material geopolimérico poroso fueron cenizas de cáscara de arroz (CCA) y polvo de
filtro de la industria del aluminio secundario (PFA). En el proceso de producción por
geopolimerización se emplearon como activadores alcalinos silicato sódico e
hidróxido sódico.
3.1.1. Ceniza de cáscara de arroz (CCA)
La CCA utilizada como fuente de sílice ha sido suministrada por Herba Ricemills
S.L., empresa productora de arroz situada en San Juan de Aznalfarache, Sevilla.
Las cenizas presentan un color negro debido a que la temperatura de combustión no
se ha controlado (Figura 4).
Figura 4.Cenizas de cáscara de arroz (CCA).
Las cenizas recepcionadas fueron tamizadas hasta un diámetro de partícula inferior
a 150 μm.
3.1.2. Polvo de filtro de la industria del aluminio (PFA)
El PFA ha sido utilizado como fuente de alúmina y formador de poros, para la
preparación de los geopolímeros activados alcalinamente. Este material ha sido
suministrado por la empresa Befesa Aluminio S.L. situada en Erandio, Vizcaya. Se
trata de un subproducto de la fundición del aluminio que se genera en los filtros
instalados en los diferentes focos emisores.
15
Figura 5. Polvo de filtro de la industria del aluminio (PFA).
3.1.3. Silicato de sodio (Na2SiO3)
En la elaboración de la solución activadora, se han utilizado soluciones de silicato de
sodio (junto con el correspondiente hidróxido de sodio, posteriormente descrito).
Este reactivo fue suministrado por la empresa Panreac S.A. y presenta una densidad
de 1,365 kg/L y un pH de 11,5. La siguiente tabla muestra su composición química
(% peso):
Tabla 1. Composición del Silicato de Sodio Comercial.
Componente Composición
(% Peso)
SiO2 29,2
Na2O 8,9
H2O 61,9
3.1.4. Otros materiales empleados
Además de los materiales anteriormente descritos, también se emplearon:
Hidróxido sódico. Empleado en la preparación de las soluciones
alcalinas/activadoras. Suministrado por la empresa Panreac S.A.,
presentando una pureza del 98%.
Agua desionizada. Utilizada para la preparación de la solución activante.
Proviene de la red de distribución de la Universidad de Jaén.
16
3.2. Equipos y procedimientos experimentales
3.2.1. Caracterización de las materias primas
3.2.1.1. Fluorescencia de rayos X (FRX)
La determinación de la composición química de las fases mineralógicas cristalinas
presentes en las materias primas, CCA y PFA, se determinó por FRX.
Antes de cualquier procedimiento experimental es necesario determinar la
composición de las materias primas a emplear, además de la composición de los
hidróxido y silicato sódicos, para conocer la cantidad necesaria de cada materia y
obtener las relaciones molares Si/Al con las que se va a trabajar.
La fluorescencia de Rayos X (FRX) consiste en una técnica espectroscópica que
utiliza la emisión secundaria o fluorescente de radiación X generada al excitar una
muestra con una fuente de radiación X. La radiación X incidente o primaria expulsa
electrones de capas interiores del átomo. Los electrones de capas más externas
ocupan los lugares vacantes, y la diferencia de energía resultante de esta
transacción se disipa en forma de fotones, radiación X fluorescente o secundaria,
con una longitud de onda característica y una intensidad directamente relacionada
con la concentración del elemento presente en la muestra.
3.2.1.2. Contenido en materia orgánica y carbonatos
La determinación del contenido en materia orgánica se realiza por ignición de la
muestra llevada a sequedad a 440ºC. Su porcentaje se determina según la Ec. 2:
% 𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑂𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 = ( 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑚𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙) ∗ 100 (𝐸𝑐. 2)
El contenido en carbonatos de los materiales utilizados fue determinado mediante
calcimetría de Bernard. El método se basa en la reacción de ácido clorhídrico (HCl)
17
con el carbonato cálcico (CaCO3), desprendiendo CO2 y midiendo la cantidad
emitida de éste según la reacción siguiente, de la que se obtienen los cm3 de CO2
gaseoso producido en la reacción:
𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 2 𝐻𝐶𝑙 → 𝐶𝑎𝐶𝑙2 + 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂
El contenido de carbonatos de la muestra, expresado en tanto por ciento de
carbonato cálcico, se obtiene por medio de la siguiente expresión:
% 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑖𝑜 =𝐺 ∗ 𝑣
𝑔 ∗ 𝑉∗ 100 (𝐸𝑐. 3)
Donde G son los gramos de carbonato cálcico empleado en el tarado como patrón, v
es el CO2 medido en el ensayo de la muestra en cm3, g son los gramos de muestra
ensayada y V es el CO2 medido en el ensayo de tarado con CaCO3 en cm3. (Martín,
2015)
3.2.1.3. Superficie específica y densidad relativa
La superficie específica se define como el área superficial de una unidad de masa y
se expresa en cm3/g.
La determinación de la finura según el método Blaine se basa en que la velocidad de
paso del aire a través de una capa de material con determinada porosidad depende
del tamaño de las partículas del material y, por tanto, de la superficie específica de
éste. Se mide la superficie específica por comparación con una muestra de
referencia y, previamente, es necesario determinar la densidad del material. Para
ello, se emplea el frasco volumétrico de Le Châtelier, se llena el matraz con
queroseno hasta unas graduaciones comprendidas entre 0 y 1 cm3, se introduce la
cantidad de muestra necesaria para obtener un volumen aproximadamente de unos
20 cm3 y la diferencia entre las dos lecturas efectuadas es el volumen de líquido
desplazado por la masa de material ensayado (Martín, 2015). La densidad se calculó
a través de la Ec.4 :
𝜌 (𝑔
𝑐𝑚3) =
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑑𝑜 (𝐸𝑐. 4)
18
Una vez determinada la densidad, se calcula la superficie específica mediante la
expresión:
𝑆 (𝑐𝑚2
𝑔) =
524,17 ∗ 2,66 ∗ √𝑡
𝜌 (𝐸𝑐. 5)
3.2.1.4. Distribución granulométrica
Se analiza la distribución del tamaño de partícula de las CCA y PFA dispersos en
medio líquido, en un rango comprendido entre 0,02 y 1.500 micras, con la tecnología
de Difracción de luz Láser.
3.2.1.5. Determinación de las fases mineralógicas mediante DRX
La determinación cualitativa de las fases mineralógicas cristalinas presentes tanto en
las materias primas como en los geopolímeros porosos formados tras 7 y 28 días de
curado, se ha determinado mediante Difracción de Rayos X (DRX).
Ésta es una técnica de caracterización básica de todo material sólido y en forma de
polvo, preferiblemente cristalino. Cuando los rayos X son dispersados por el entorno
ordenado de un cristal, tienen lugar interferencias (tanto constructivas como
destructivas) entre los rayos dispersados, ya que las distancias entre los centros de
dispersión son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiación.
El resultado es la difracción. Por lo tanto, este ensayo consiste en medir la
desviación que sufre un haz primario o monocromático de rayos X cuando incide
sobre una muestra (Bouzón, 2015).
3.2.1.6. Caracterización microestructural (SEM)
La microscopia electrónica de barrido (SEM) proporciona información morfológica y
topográfica sobre la superficie de los sólidos necesaria para entender el
19
comportamiento de las superficies, así como información cuantitativa y cualitativa
sobre la composición elemental de las diversas áreas de una superficie
Para obtener una imagen por microscopía electrónica, la superficie de una muestra
sólida es barrida con un haz de electrones muy fino. Este proceso se repite hasta
que el área deseada de la superficie ha sido barrida. Al barrer la superficie con una
pistola de electrones de energía elevada se producen diversos tipos de señales.
Estas señales incluyen electrones retrodispersados y secundarios que sirven de
base a la fluorescencia de rayos X, que se utiliza en el análisis de microsonda de
electrones (Skoog y Leary, 1994).
La microscopia electrónica de barrido se ha utilizado para conocer la morfología,
aspecto y textura tanto de los residuos empleados como materias primas como de
los geopolímeros porosos producidos con distintas relaciones molares Si/Al a los 28
días de curado. Esta técnica se llevó a cabo mediante un microscopio electrónico de
barrido y una espectroscopia de energía dispersiva de Rayos X (SEM/EDX) usando
un microscopio electrónico de alta resolución JEOL SM 840.
3.2.2. Preparación de los geopolímeros porosos
3.2.2.1. Preparación de la disolución activante
Para la preparación del activador alcalino es necesario obtener, con anterioridad,
una disolución de hidróxido sódico, para posteriormente añadir, continuada y
lentamente para una mezcla lo más homogénea posible, la cantidad determinada de
silicato sódico, con la ayuda de un agitador magnético. Una vez que se obtiene la
solución alcalina mezclada en su totalidad, y ya que la reacción de hidróxido sódico
con el agua es exotérmica, se deja enfriar a temperatura ambiente. Con el objetivo
de evaluar el avance del proceso de geopolimerización, se realizaron medidas de pH
de todas las soluciones alcalinas activadoras. Las medidas se realizaron empleando
un pHmetro Basic 20 de la casa Crison.
20
3.2.2.2. Preparación de geopolímeros
Una vez preparada la solución activante, se procede a la formación del geopolímero.
En primer lugar se deben mezclar los dos residuos descritos anteriormente, CCA y
PFA. Para la elaboración del geopolímero activado alcalinamente, se sigue un
procedimiento determinado experimentalmente, empleando una Amasadora Proeti y,
como moldes, frascos de polietileno de reducida capacidad (Figura 6).
Figura 6. Duquesitas de PE como moldes para el geopolímero.
El tiempo de amasado total es de 17 minutos. En primer lugar, se homogeneiza la
mezcla de los dos residuos (CCA y PFA) durante 5 minutos. Seguidamente, y en la
velocidad lenta de la amasadora, durante 2 minutos se añade el activador alcalino.
Finalmente, se homogeneiza la masa geopolimérica durante 10 minutos (esto se
realiza en la velocidad rápida de la amasadora).
El proceso de vertido de la mezcla en el molde se realiza poco a poco y golpeando
manualmente éste para una mejor compactación del material geopolimérico,
llenando los moldes hasta media altura y recubriéndolos con un film plástico para
evitar la evaporación de agua de la muestra. A continuación, los moldes se trasladan
hasta su lugar de curado, estufa a 60ºC, saturados en agua. Las muestras son
curadas bajo condiciones de humedad controladas, con el fin de evitar una
evaporación de agua excesiva durante el proceso de fraguado de los geopolímeros,
efecto que podría disminuir la resistencia y provocar la fisuración de la muestras.
Las muestras son sacadas de la estufa y desmoldadas a las 24 horas, curándose a
temperatura ambiente durante 7 y 28 días. .
21
Figura 7. Muestra tras las 24 horas.
3.2.3. Optimización del método
Para la producción de geopolímeros a partir de residuos por geopolimerización
previamente se optimizó la mezcla de residuos (CCA y PFA) a adicionar para
obtener una relación molar Si/Al adecuada, así como el activador alcalino empleado
(silicato sódico e hidróxido sódico). Para una mejor optimización del método se
realizaron pruebas, empleando distintas relaciones molares Si/Al y Na/Si, como se
describe en la Tabla 2.
Tabla 2. Condiciones para optimización del método. Relación molar
Si/Al Relación molar
Na/Si Relación molar
SiO2/Al2O3
3 0,7 6
4 8
5 0,6 10
0,7
0,8
6 0,55 12
0,6
0,7
0,8
0,9
7 0,6 14
0,7
0,8
8 0,6 16
0,7
0,8
Las temperaturas empleadas para la conformación de los geopolímeros en la
optimización del método fueron 40, 60 y 80ºC. Las muestras obtenidas presentan un
color negro debido al color de los residuos utilizados como materias primas.
22
3.2.4. Caracterización de los geopolímeros porosos
3.2.4.1. Determinación de las propiedades físicas
Para determinar las propiedades físicas y mecánicas de los geopolímeros, estos se
cortan para que tengan una superficie horizontal y lisa, se mide el diámetro y altura
de cada una de las muestras, y se pesan en balanza analítica (obteniendo la
denominada “masa seca”). Posteriormente se sumergen en agua durante 24 horas.
Para poder determinar la absorción de agua del geopolímero, así como su densidad
y porosidad aparentes, tras 24 horas introducidas en agua, se las muestras se pesan
en balanza analítica (obteniendo la denominada “masa saturada”) y, posteriormente,
en balanza hidrostática (obteniendo la denominada “masa hidrostática”). Finalmente
se llevan a sequedad, de nuevo en estufa a 60ºC, preparándolas así para determinar
su resistencia a la compresión. Para determinar el peso de las muestras se emplea
una balanza analítica Cobos Precisión y una balanza hidrostática Grontal.
3.2.4.1.1. Densidad aparente (kg/m3)
La densidad aparente de un material es la relación entre el volumen y el peso seco,
incluyendo huecos y poros que contenga. Los factores que afectan a la densidad
aparente son la composición y la estructura. En este caso sólo se puede saber la
densidad aparente y no la densidad absoluta, ya que las muestras no son
compactas totalmente sino que se ha obtenido un material geopolimérico poroso. En
este trabajo, la densidad aparente se determina según la Ec. 7 (Alonso, 2013;
Hernández et al., 2013).
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑘𝑔
𝑚3) =
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑆𝑒𝑐𝑎
(𝑀. 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑀. 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑎)∗ 1.000 (𝐸𝑐. 7)
Siendo 1.000, la densidad del agua en kg/m3. Este ensayo se lleva a cabo siguiendo
la Norma UNE-EN 772-13 (UNE-EN 772-13, 2001).
23
3.2.4.1.2. Porosidad aparente (%)
La porosidad aparente referencia a la cantidad de vacío (o poros) en un volumen de
sólido poroso. El valor de la porosidad se mide como una fracción o porcentaje. En
este trabajo, la porosidad aparente se determina según la siguiente ecuación
(Alonso, 2013):
𝑃𝑜𝑟𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 (%) =𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑆𝑒𝑐𝑎
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎∗ 100 (𝐸𝑐. 8)
La absorción de agua es una medida indirecta de la porosidad abierta del material.
El ensayo se realiza siguiendo la norma UNE-EN-772-11 (UNE-EN-772-11, 2011)
3.2.4.1.3. Absorción de agua (%)
Al poner en contacto con agua una muestra de geopolímero seco, se produce un
gradiente de presión entre el exterior y el interior, y se induce una absorción capilar
que conduce el líquido desde las partes más húmedas hacia las más secas. Este
movimiento se ve influenciado por las características del líquido (viscosidad,
densidad y tensión superficial) y por las características del sólido poroso
(permeabilidad, estructura de poros y energía superficial) (Alonso, 2013).
La absorción de agua de los geopolímeros se calcula a partir de la Ec. 9:
𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 (%) =𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑆𝑒𝑐𝑎
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑆𝑒𝑐𝑎∗ 100 (𝐸𝑐. 9)
3.2.4.2. Determinación de las propiedades mecánicas. Medidas de
resistencia a la compresión
El ensayo de resistencia a compresión se realiza siguiendo la norma UNE-EN 772-1
(UNE-EN 772-1, 2011) en una prensa de laboratorio MTS 810 Material Test System,
representada en la Figura 8. Se realiza el ensayo de cada muestra por separado. La
resistencia a compresión viene dada por la Ec. 10.
24
𝑓𝑐 =𝐹
𝐴𝑐
(𝐸𝑐. 10)
Donde 𝑓𝑐 es la resistencia a compresión (MPa), F es la carga máxima de rotura
determinada experimentalmente (N) y 𝐴𝑐 es el área transversal de la muestra sobre
la que actúa la fuerza de compresión (𝑚𝑚2), siendo éste igual a 𝐴 = 𝜋 ∗ 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜2.
Figura 8. Prensa de laboratorio.
3.2.5. Espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR)
Con Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier, se obtiene información
sobre los tipos de enlaces químicos presentes en los conglomerantes formados e
este trabajo.
El principio de funcionamiento de la espectroscopía de infrarrojo está basado en la
absorción a nivel molecular de radiaciones en la zona del espectro infrarrojo que
produce transiciones vibracionales y/o rotacionales de las moléculas. Para ello, una
molécula experimenta un cambio neto en el momento dipolar, como consecuencia
de su movimiento de vibración o de rotación. Existen dos tipos fundamentales de
vibración: tensión (“stretching”) y flexión (“bending”). En la vibración por tensión la
distancia entre los átomos aumenta y disminuye alternativamente, pero los átomos
se mantienen en el mismo eje del enlace; en la vibración por flexión se mantiene la
25
distancia interatómica, pero la posición de los átomos cambia respecto al eje de
enlace, es decir, se modifica el ángulo de enlace.
3.2.6. Determinación del Grado de reacción (%)
Para determinar el grado de reacción se ataca a 1 gramo de geopolímero (molido
con mortero de cerámica y posteriormente tamizado hasta un tamaño de partícula de
150 µm) con una disolución de HCl (1:20). Tras el ataque, el sólido se filtra a vacío
(en un filtro de papel, empleando un embudo Büchner y un matraz kitasato), se seca
en estufa durante 1 o 2 horas y posteriormente se calcina a 1.000ºC durante 3 horas.
En la mezcla de geopolímero con HCl se lleva a cabo la disolución en el ácido de los
productos principales de la reacción de geopolimerización, el gel de aluminosilicato
sódico (N-A-S-H); mientras que la fracción de cenizas que no reacciona queda en el
residuo insoluble. El grado de reacción se calcula por la pérdida de masa producida
durante el ataque del ácido al geopolímero, según la ecuación:
𝐺. 𝑅. (%) = (1 − 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑀𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎) ∗ 100 (𝐸𝑐. 11)
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
4.1. Caracterización de las materias primas
La distribución de tamaño de partícula de los residuos se muestra en la Figura 9. El
tamaño medio de las partículas de CCA y PFA, D50, fue 96,2 y 12,5 μm,
respectivamente. El tamaño de partícula del polvo de filtro es más fino que el de las
cenizas volantes de arroz. La fracción principal de las CCA está constituida
principalmente por partículas del tamaño de la arena (63 – 2.000 μm) y una baja
proporción de partículas finas (<2.000 μm), 1,73 vol. % (Tabla 3), mientras que el
PFA está constituido principalmente por partículas del tamaño del limo (2-63 μm).
26
Figura 9. Distribución de tamaño de partícula de las CCA y PFA.
Tabla 3. Distribución de tamaño de partículas de los residuos. Distribución de tamaño de partícula (mm) CCA (% part.) PFA (% part.)
Contenido en arcilla (<0.002) 1,73 9,14
Contenido en limos (0.002-0.063) 36,86 84,31
Contenido en arena (0.063-2) 61,41 6,53
La superficie específica determinada mediante permeabilímetro de Blaine del PFA
fue de 2.058 cm2/g y de las CCA de 1.948 cm2/g. La superficie específica ejerce una
acción favorable en la reactividad entre la sílice y la alúmina. Los valores obtenidos
de densidad relativa utilizando el frasco volumétrico de Le Chatelier son de 3.105
kg/m3 para el polvo de filtro y 2.148 kg/m3 para las cenizas de arroz (Cebrian y
Pisonero, 1971).
La Tabla 4 muestra la composición química de los residuos determinadas por FRX:
Las CCA contienen una alta proporción de sílice (76,7%), con porcentajes inferiores
al 3% de otros componentes como K2O, P2O5, y CaO, por lo que se trata de una
importante fuente de sílice. El PFA está compuesto principalmente por Al2O3 (21,6%)
y Na2O (21,7%), siendo importante su contenido en cloro (24,4%) y conteniendo
cantidades inferiores de K2O (5,9%), F (2,89%), S (2,69%), MgO (2,4%) y CaO
(1,4%). Por tanto, este residuo es una fuente importante de aluminio y sodio,
materias primas necesarias para la formación de geopolímeros. La pérdida de peso
por ignición (LOI) es similar aunque ligeramente mayor en el residuo PFA (21,8%)
que en las CCA (17,8%). Esto puede ser debido principalmente a la presencia de
carbonatos (18,1% y 5,6%) y materia orgánica (8,9 y 16,3%), respectivamente.
27
Tabla 4. Composición química de los residuos empleados como materia prima.
Contenido en óxidos CCA (%) PFA (%)
SiO2 76,67 0,38
Al2O3 0,183 21,56
Fe2O3 0,233 0,64
CaO 0,821 1,37
MgO 0,654 2,37
MnO - 0,05
K2O 2,03 5,88
TiO2 - 0,37
P2O5 1,62 0,03
SrO 0,035 -
Cl - 24,42
LOI 17,78 21,82
Figura 10. DRX de los residuos empleados como materias primas (a) CCA y (b) PFA.
En la Figura 10 se muestran los patrones de difracción de rayos X de las CCA y del
PFA. De acuerdo con el patrón de FRX las CCA presentan como fase cristalina
principal sílice en forma de cristobalita (polimorfo de la SiO2 formado en la
combustión de la cáscara de arroz). El patrón de difracción del PFA es más complejo
presentando como fases cristalinas principales halita (NaCl), K3,2Na0,8Cl4, óxido de
aluminio (Al2O3), espinela de aluminio y magnesio (MgAl2O4),feldespatos
(silicoaluminato de especies alcalinas y/o alcalinotérreas, KAlSi3O8), elpasolita
(K2NaAlF6) y BaFe1,5Al0,5O4. La fase halita se podría formar mediante un proceso de
condensación de gases ricos en Na y Cl, cuando se baja la temperatura para extraer
28
el polvo de filtro de la industria de aluminio secundario por debajo de los 801ºC,
punto de fusión de esta fase.
Las Figuras 11 y 12 muestran las imágenes de Microscopía Electrónica de Barrido
SEM y el análisis EDAX de los residuos empleados como materias primas. Se
observa que ambos residuos están formados por partículas de tamaño micrométrico,
así como partículas más grandes, observándose una gran distribución
granulométrica. Las partículas de CCA tienen forma irregular y estriada. El análisis
EDX muestra que las partículas están compuestas principalmente de sílice aunque
también se detectó una pequeña cantidad de elementos alcalinotérreos de acuerdo
con los datos de FRX y DRX (Eliche-Quesada et al., 2017).
En el residuo PFA se observan partículas con variedad de tamaños y formas tanto
esféricas, ricas en Cl, Na y K, como irregulares, ricas en Al, de acuerdo con los
datos de FRX y DRX. A partir de los datos de distribución del tamaño de partícula y
de las imágenes SEM, se observa que las partículas de CCA son de mayor tamaño
que las partículas del PFA.
Figura 11. Micrografía SEM y análisis EDAX de las CCA.
29
Figura 12. Micrografía SEM y análisis EDAX de PFA.
4.2. Preparación de geopolímeros. Optimización del método
Para una mejor optimización del método se realizan pruebas, empleando distintas
relaciones molares Si/Al y Na/Si, así como distintas temperaturas de conformación
del geopolímero, como se describe en el apartado “3.2.3. Optimización del método”.
En primer lugar se realizan las pruebas de los geopolímeros con relación molar
Si/Al=6 tanto a 40 como 80 ºC. Tras el tiempo estimado de conformación del
geopolímero (24 horas), se ve que se puede trabajar con las dos temperaturas; sin
embargo, se observa a simple vista que el conformado a 40ºC es más frágil y
poroso, apareciendo fisuras fácilmente, no ocurriendo esto con el obtenido a 80º.
Finalmente se intenta obtener el geopolímero a la temperatura de 60ºC, obteniendo
un geopolímero bien fraguado y resistente, óptimo para trabajar con él y determinar
sus propiedades físicas y mecánicas.
30
Al buscar una relación molar Na/Si en la cual las muestras con relación molar
Si/Al=4, 5, 6 y 7 fragüen en su totalidad y se puedan comparar, se hacen pruebas
con relaciones molares Na/Si entre 0,5 y 0,9. Finalmente, se procede a determinar la
cantidad de agua experimentalmente, para que las muestras fragüen para su
posterior caracterización física y mecánica.
Tras realizar las pruebas pertinentes para la obtención de un material geopolimérico
trabajable, con las condiciones descritas en la Tabla 2, se llega a cuatro relaciones
molares Si/Al óptimas: Si/Al=4, 5, 6 y 7. En la Tabla 5 se indican las cantidades
empleadas para el proceso de conformación de una sola muestra.
Tabla 5. Cantidades empleadas para una muestra de geopolímero.
Relación
molar
Si/Al
Relación
molar
Na/Si
CCA
(g)
PFA
(g)
Na2SiO3
(g)
H2O
(g)
NaOH
(g)
M
(mol/L)
pH Solución
Activante
4 0,70 14,20 13,40 9,83 14.62 1,66 8,44 13,16
5 0,70 14,20 10,70 9,88 14,90 2,39 8,45 13,21
6 0,70 10,42 8,05 15,00 5,40 1,86 8,44 12,60
7 0,70 12,50 7,29 12,15 11,18 2,75 8,44 13,28
Variando la relación molar Si/Al de 4 a 7, se mantiene la relación molar Na/Si,
considerando ésta como óptima. Además, de un característico pH de la solución
activante altamente básico. En la siguiente figura se presentan las muestras con
relación molar Si/Al=6 resultantes tras 24 horas en estufa a una temperatura de
60ºC.
Figura 13. Muestras desmoldadas Si/Al= 6.
31
4.3. Caracterización de los geopolímeros porosos
4.3.1. Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR)
Con Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier, se ha obtenido
información sobre los tipos de enlaces químicos presentes en los conglomerantes
formados a partir de la activación alcalina.
En la Figura 14 se muestra el espectro de Infrarrojo de la ceniza de cáscara de
arroz molida, con un tamaño de partícula de 0,15 mm.
Figura 14. FTIR de cenizas de cáscara de arroz.
De acuerdo a ésta, se pueden observar una serie de picos que se describen a
continuación:
A 1.060 cm-1 se observa una banda, que podría corresponder con las
vibraciones de valencia correspondientes a elongaciones simétricas y
asimétricas de los enlaces O-Si-O de los materiales amorfos de las cenizas.
Se puede observar también, la existencia de un pequeño hombro
característico de la sílice amorfa.
A 790 cm-1 aparece una banda característica de SiO2 correspondiente a la
formación de los enlaces O-Si.
32
A 617 cm-1 se observan picos no muy intensos, debido a las vibraciones de
los grupos silanol (Si-OH).
A 447 cm-1 se observa una banda, consecuencia de la vibración angular de
deformación de los enlaces Si-O-Si (Ordoñez, 2007).
En las muestras de geopolímeros porosos obtenidas a partir de CCA y PFA
activadas alcalinamente (Figuras 15 y 16), se puede observar un desplazamiento de
la banda centrada a 1061 cm-1 en las CCA, dicha banda se desplaza hacia números
de onda menores, (1.025-1.011 cm-1) y se atribuye a una tensión asimétrica de Si-O
o Al-O, pero ya no del material amorfo, sino de enlaces que están presentes en el
gel de aluminosilicato sódico (N-A-S-H), la magnitud de esta banda se asigna
fundamentalmente a la naturaleza amorfa del material, así como al ordenamiento de
corto alcance de los tetraedros de Si y Al. La intensidad de esta banda depende de
factores como la edad de curado y grado de reacción, entre otros (Fernández-
Jiménez y Palomo, 2005). Se muestran además las bandas centradas entre 780 y
795 cm-1, que pueden atribuirse a los enlaces que están presentes en las CCA de
origen, principalmente en los compuestos cristalinos como el cuarzo. La banda que
aparece a aproximadamente 420 cm-1, podría corresponder a la segunda banda
característica del gel de aluminosilicato sódico característica de los vibraciones de
deformación de los enlaces T-O-T (T=Al, Si).
Figura 15. FTIR del geopolímero con relación molar Si/Al=7 a los 7 y 28 días de curado.
33
Figura 16. FTIR de los geopolímeros con relación molar Si/Al= 4, 5 y 6 a los 28 días de curado.
4.3.2. Determinación de las fases mineralógicas (DRX)
El estudio por Difracción de Rayos X (DRX) proporciona información sobre la
composición mineralógica presente en el material a estudiar. En la Figura 17 se
presenta el difractograma correspondiente al geopolímero con relación molar
Si/Al=7. En él se observa la presencia de sustancias amorfas, al apreciar
desviaciones de la línea base entre valores de 2θ comprendidos entre los 20 y 35º,
podría indicar la formación de productos tipo gel N-A-S-H (Barbosa et al., 2000). Se
observan también ciertos picos, que indican la presencia de estructuras cristalinas
de SiO2 (como cristobalita), NaCl, Al2O3 y MgAl2O4 presentes en las materias primas
que indican que las fases cristalinas no intervienen en la reacción de polimerización.
En todos los difractogramas de los geopolímeros porosos curados 7 y 28 días no se
observan diferencias en los picos de difracción con las distintas relaciones molares
Si/Al, sólo se observa cómo a medida que aumenta la relación molar Si/Al hasta
valores de 6, las intensidades de los picos de difracción son menores, indicando que
la cristalinidad es mayor para menores relaciones molares Si/Al (Figura 18). Sin
34
embargo, esta tendencia no se observa en los geopolímeros porosos con una
relación molar Si/Al=7, donde hay un incremento de la cristalinidad.
Figura 17. DRX del geopolímero de relación molar Si/Al=7.
Figura 18. DRX del geopolímero con relación molar Si/Al= 7 a los 7 y 28 días de curado.
35
Figura 19. DRX de los geopolímeros con relación molar Si/Al= 4, 5 y 6 a los 28 días de curado.
4.3.3. Grado de reacción (%)
El grado de reacción se ha calculado a partir de la Ec. 6. Los resultados obtenidos
indican que esta propiedad del material geopolimérico aumenta al hacerlo la relación
molar Si/Al y el tiempo de curado, siendo éste máximo en la relación molar Si/Al=7 a
los 28 días de curado (61,5%) (Tabla 6, Figura 20).
No se obtiene relación entre el grado de reacción y la resistencia a la compresión de
los geopolímeros porosos obtenidos, debido fundamentalmente a la naturaleza
porosa y composición de los productos de reacción formados durante el transcurso
de la reacción de geopolimerización.
Tabla 6. Grado de Reacción (%). Geopolímeros a los 7 y 28 días de curado.
Relación molar Si/Al
G. Reacción 7 días (%)
G. Reacción 28 días (%)
4 42,5 48,5
5 47,5 53,5
6 54,5 54,0
7 59,5 61,5
36
Figura 20. Evolución del Grado de Reacción con el Tiempo de Curado para las distintas relaciones
molares Si/Al.
4.3.4. Densidad aparente (kg/m3)
Los datos de densidad aparente de las muestras después de 7 días de curado
indican que la densidad disminuye a medida que aumenta la relación molar Si/Al.
Así, para las muestras de geopolímeros con relaciones molares Si/Al=4 y Si/Al=5, la
densidad aparente es aproximadamente 800 kg/m3 mientras que a mayores
relaciones molares (Si/Al=6 y Si/Al=7) los valores de densidad son menores, siendo
próximos a los 700 kg/m3. Sin embargo, a los 28 días de curado no se observa esta
tendencia, aunque se obtienen valores de densidad aparente menores que los
obtenidos para los siete días de curado para todas las muestras. No obstante,
mientras que la reducción en las muestras con relaciones molares Si/Al=4 es de
aproximadamente un 23% alcanzando estos geopolímeros una densidad aparente
de 644 kg/m3, en los geopolímeros con relación molar Si/Al=7 sólo se reduce un 1%,
disminuyendo entre aproximadamente un 9-11% para los geopolímeros con
relaciones molares Si/Al=5 y 6, respectivamente.
Tabla 7. Resultados densidad aparente (kg/m3).
Relación molar Si/Al
Densidad Aparente 7 días (kg/m
3)
Densidad Aparente 28 días (kg/m
3)
4 835,27 ± 10,11 643,94 ± 10,28
5 808,11 ± 42,26 737,82 ± 18,37
6 734,49, ± 51,80 652,48 ± 22,40
7 717,26 ± 41,25 708,95 ± 22,41
0
20
40
60
80
Si/Al 4 Si/Al 5 Si/Al 6 Si/Al 7
Gra
do
de
Re
acci
ón
(%
)
Evolución del Grado de Reacción con el Tiempo de Curado en función de la relación molar Si/Al
7 Días 28 Días
37
Figura 21. Evolución de la Densidad Aparente con el Tiempo de curado.
Los bajos valores de densidad aparente indican que se han obtenido geopolímeros
porosos, no obstante no hay una relación entre la cantidad de polvo de filtro
incorporado y la porosidad. Los gases generados durante el mecanismo espumante
de la pasta geopolimérica hace que sustancias presentes en el PFA se
descomponga en agua y forme gases, generando pequeñas burbujas, que se dilatan
debido a la presión ejercida por la pasta geopolimérica. No se observa que a medida
que incrementa la cantidad de residuo PFA aumente la cantidad de gas en la
burbuja y el tamaño de la misma, por lo que prácticamente debe haber coalescencia
de burbujas para todas las relaciones molares ensayadas.
4.3.5. Porosidad aparente (%)
Los resultados de porosidad aparente indican que esta propiedad sigue una
tendencia opuesta a la densidad aparente, aumentando para los geopolímeros
curados durante 7 días a medida que incrementa la relación molar Si/Al alcanzando
este parámetro valores comprendidos entre el 18,22% para una relación molar
Si/Al=4 y aumentando hasta 30,92% para los geopolímeros con relaciones molares
Si/Al=7. De nuevo, se observa un incremento en la porosidad aparente en todos los
geopolímeros porosos cuando se incrementa el tiempo de curado hasta 28 días; sin
embargo, este incremento no es igual para todas las relaciones molares Si/Al.
Mientras que esta propiedad incrementa considerablemente un 107% para los
geopolímeros con relación molar Si/Al=4 alcanzando ésta un valor de porosidad
0
200
400
600
800
1000
Si/Al 4 Si/Al 5 Si/Al 6 Si/Al 7
Den
sid
ad A
par
ente
(kg
/m3)
Evolución de la densidad aparente con el tiempo de curado
7 días 28 días
38
aparente del 37,75%, para los geopolímeros con relación molar Si/Al=7 esta
propiedad incrementa sólo un 2% obteniendo valores del 31,58%, mientras que para
los geopolímeros con relaciones molares Si/Al=5 y Si/Al=6 la porosidad aparente a
los 28 días de curado incrementa un 32 y un 22%, respectivamente (Tabla 8 y
Figura 23)
La porosidad en los distintos geopolímeros conformados también se puede observar
a simple vista, como se muestra en la Figura 22, donde se puede ver un gran
número de poros para todas las relaciones molares Si/Al estudiadas.
Tabla 8. Resultados porosidad aparente (%).
Relación molar Si/Al
Porosidad Aparente 7 días (%)
Porosidad Aparente 28 días (%)
4 18,22 ± 1,07 37,75 ± 2,92
5 22,56 ± 3,88 29,83 ± 2,65
6 27,93 ± 4,68 33,97 ± 3,27
7 30,92 ± 3,87 31,58± 2,70
Figura 22. Sección del material geopolimérico.
Figura 23. Evolución de la porosidad aparente con el tiempo de curado.
0
10
20
30
40
50
Si/Al 4 Si/Al 5 Si/Al 6 Si/Al 7
P. A
par
ente
(%
)
Evolución de la porosidad aparente con el tiempo de curado
7 días 28 días
39
4.3.6. Absorción de agua (%).
La absorción de agua es una medida indirecta de la porosidad abierta presente en
los geopolímeros porosos. Los resultados obtenidos de la determinación de la
absorción de agua se reflejan en la Tabla 9 y en la Figura 24.
Tabla 9. Resultados absorción de agua (%).
Relación molar Si/Al
Absorción de agua 7 días (%)
Absorción de agua 28 días (%)
4 21,85 ± 1,52 60,88± 2,43
5 22,97 ± 5,16 38,50 ± 3,51
6 35,41± 3,58 45,15 ± 5,57
7 36,45 ± 5,45 45,62 ± 3,31
Se observa un aumento de la absorción de agua con el tiempo de curado para todas
las relaciones molares Si/Al. La absorción de agua también aumenta a medida que
aumenta la relación molar Si/Al para un tiempo de curado de 7 días, obteniéndose
valores menores de esta propiedad para los geopolímeros porosos con relaciones
molares Si/Al=4 y 5 alcanzando valores del 22 y 23%, respectivamente.
El valor de absorción de agua para los geopolímeros porosos con relaciones
molares Si/Al de 6 y 7 es mayor alcanzando valores del 35 y 36%, respectivamente.
Para las muestras curadas 28 días, se observa un incremento en todos los casos de
la absorción de agua con respecto al tiempo de curado; sin embargo, mientras que
para las muestras con relaciones molares Si/Al=6 y 7 el incremento es de
aproximadamente un 25%, alcanzando valores de absorción de agua del 45%, la
absorción de agua para las muestras con relaciones molares Si/Al=5 y,
fundamentalmente, para las de una relación molar Si/Al=4 se produce un significante
incremento de esta propiedad con el tiempo de curado, incrementando la absorción
de agua hasta 38,5% para una relación molar Si/Al=5 y hasta el 60,9% para los
geopolímeros con relaciones molares Si/Al=4 (Tabla 9 y Figura 24).
40
Figura 24. Evolución de la absorción de agua con el tiempo de curado.
4.3.7. Determinación de las propiedades mecánicas. Resistencia a
compresión.
Las propiedades mecánicas en materiales cerámicos es el índice de calidad
ingenieril más importante para materiales de construcción, si estos materiales
ejercen funciones estructurales. Los resultados indican que la resistencia a la
compresión es baja debido a la baja densidad aparente de los geopolímeros
porosos. No se observa relación entre la resistencia a la compresión y la densidad
aparente y/o porosidad abierta de los materiales. Los datos indican que los valores
más bajos de resistencia a compresión se obtienen para las relaciones molares Si/Al
de 4 y 5 de aproximadamente 0,5 MPa, indicando un rápido endurecimiento de estos
geopolímeros ya que no hay prácticamente diferencia en esta propiedad entre los 7
y 28 días de curado. Sin embargo, para los geopolímeros porosos con relaciones
molares Si/Al=6 y 7 se obtiene un ligero incremento en las propiedades mecánicas,
siendo mucho más pronunciado en las muestras con mayor relación molar Si/Al=7
alcanzándose resistencias a compresión de 1,7 MPa, tras 28 días de curado (Tabla
10 y Figura 25).
0
10
20
30
40
50
60
70
Si/Al=4 Si/Al=5 Si/Al=6 Si/Al=7
Ab
sorc
ión
de
agu
a (%
)
Evolución de la absorción de agua con el tiempo de curado
7 días 28 días
41
Tabla 10. Resultados resistencia mecánica (MPa).
Relación molar Si/Al
Resistencia Mecánica 7 días (MPa)
Resistencia Mecánica 28 días (MPa)
4 0,517 ± 0,035 0,513 ± 0,039
5 0,507 ± 0,022 0,539 ± 0,008
6 0,801 ± 0,136 0,948 ± 0,072
7 0,618 ± 0,046 1,677 ± 0,151
Figura 25. Evolución de la resistencia mecánica con el tiempo de curado.
4.3.8. Caracterización microestructural (SEM)
La microscopía electrónica de barrido se ha utilizado para conocer la morfología,
aspecto y textura de los geopolímeros porosos obtenidos con distintas relaciones
molares Si/Al a los 28 días de curado.
En todas las micrografías se puede observar la porosidad de los geopolímeros,
conteniendo todos ellos tanto poros cerrados como interconectados de diferentes
tamaños. No obstante las micrografías SEM están de acuerdo con los datos de
absorción de agua indicando una mayor porosidad interconectada en los
geopolímeros porosos con relaciones molares Si/Al=4 (Figura 26). En las
micrografías de detalle (Figura 29) se pueden observar además de zonas vítreas en
la estructura correspondiente al gel polimérico, fibras y bastones correspondientes a
sales de Na y Ca como indica el análisis EDAX de las muestras (Figuras 27 y 30).
0
0,5
1
1,5
2
Si/Al=4 Si/Al=5 Si/Al=6 Si/Al=7
R. M
ecán
ica
(MP
a)
Evolución de la resistencia mecánica con el tiempo de curado
7 días 28 días
42
Figura 26. SEM a un aumento de 250 X. Geopolímeros Si/Al= 4 (izquierda) y Si/Al=5 (derecha).
Figura 27. SEM-EDAX del geopolímero Si/Al= 4 (28 días).
Figura 28. SEM un aumento de 250 X. Geopolímeros Si/Al=6 (izquierda) y Si/ Al=7 (derecha).
43
Figura 29. SEM a un aumento de 3k X. Geopolímero Si/Al=7.
Figura 30. SEM-EDAX del geopolímero Si/Al= 7 (28 días).
5. CONCLUSIONES.
En el presente proyecto se han desarrollado diversos geopolímeros porosos a partir
de ceniza de cáscara de arroz (CCA) y polvo de filtro de la industria de aluminio
(PFA) utilizando para ello soluciones activantes de hidróxido sódico y silicato sódico.
De los resultados obtenidos se obtienen las siguientes conclusiones:
El análisis de DRX y FTIR confirman la formación del gel de aluminosilicato
sódico para todas las relaciones molares Si/Al estudiadas y tiempo de curado
de 7 y 28 días.
Los geopolímeros porosos presentan bajas densidades aparentes que
disminuyen con el tiempo de curado alcanzando valores comprendidos entre
650 kg/m3 y 738 kg/m3.
1
3
2
44
La porosidad aparente y la absorción de agua aumentan con el tiempo de
curado siendo este incremento mayor para las muestras con relaciones
molares Si/Al=4. Estos datos han sido confirmados mediante análisis SEM
donde se observa una mayor porosidad abierta para la muestra con menor
relación molar Si/Al. Además se puede observar como el tamaño de los poros
cerrados disminuye a medida que se incrementa la relación molar Si/Al.
La resistencia a compresión de los geopolímeros porosos aumenta con el
tiempo de curado y con la relación molar Si/Al, alcanzándose el máximo valor
de 1.7 MPa para la muestra con una relación molar Si/Al=7 tras 28 días de
curado.
Por tanto, a partir de subproductos industriales, mediante procesos de bajo coste
energético, se han obtenido geopolímeros porosos sostenibles con propiedades
físicas, porosidad y propiedades mecánicas adecuadas para aplicaciones de gran
interés como soportes de catalizadores, materiales para filtración de gases,
hormigón celular y materiales aislantes.
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