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“SÍNTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE
ALUMINOSILICATOS MINERALES”
Tesis que como Requisito para obtener el Grado de Doctor en Ciencias de Materiales presenta:
M.C. CLAUDIA IVETTE VILLA GARCÍA
DIRECTORES:
Dra. Emma Teresa Pecina Treviño
Dr. Erasmo Orrantia Borunda
Chihuahua, Chih., a 22 de Agosto de 2013
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS, S.C.
POSGRADO
DEDICATORIA
A Dios, por darme la oportunidad de poder capacitarme y desarrollarme académicamente en
el área de la investigación, y lograr ser una persona de bien.
A mi esposo Oswlado Barrera Hernández, por brindarme su apoyo incondicional durante
mi formación profesional.
A mis padres, Armando Villa González y Elena García Corona, por su tiempo dedicado
y porque gracias a ellos logré llegar hasta donde ahora me encuentro, por sus enseñanzas y su
gran amor.
A mis hijos, Ryan y Astrid, por el amor incondicional y por todos los momentos de ausencia.
AGRADECIMIENTOS
Al Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C., le agradezco la
oportunidad brindada para el logro de esta tesis.
A mi Directora de tesis, Dra. Emma Teresa Pecina Treviño, agradezco su
confianza, consejos y sobre todo su valiosa aportación en el desarrollo de
este proyecto, porque sin su apoyo no se hubiera logrado.
A mi Director Dr. Erasmo Orrantia Borunda, por su confianza y apoyo durante
el desarrollo del proyecto.
A Conacyt, por la beca otorgada para lograr realizar el proyecto de
Doctorado.
Y a todas las personas que directa e indirectamente me apoyaron durante
todo el tiempo de mi estancia en CIMAV.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
i
ÍNDICE
RESUMEN .......................................................................................................... 1
ABSTRACT ......................................................................................................... 3
CAPÍTULO I ........................................................................................................ 5
INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 5
CAPÍTULO II ....................................................................................................... 8
ANTECEDENTES ............................................................................................... 8
2.1 Historia y Desarrollo ...................................................................................... 8
2.2 Geopolímeros ................................................................................................ 9
2.2.1 Definición ................................................................................................... 9
2.2.2 Clasificación química y nomenclatura ..................................................... 10
2.2.3 Síntesis ................................................................................................... 14
2.2.4 Efecto del tipo de catión alcalino .............................................................. 16
2.2.5 Materias primas utilizadas en la síntesis de geopolímeros ...................... 17
2.2.6 Variables principales que influyen sobre las propiedades de geopolímeros
.......................................................................................................................... 19
2.2.6.1 Contenido de agua ................................................................................ 19
2.2.6.2 Temperatura de curado ......................................................................... 19
2.2.6.3 Tiempo de curado ................................................................................. 20
2.2.6.4 Composición química ............................................................................ 20
2.2.7 Propiedades físicas y químicas de geopolímeros .................................... 21
2.2.7.1 Resistencia Mecánica ........................................................................... 22
2.2.7.2 Resistencia al ataque químico .............................................................. 23
2.2.7.3 Resistencia al ataque de sulfatos ........................................... 24
2.2.7.4 Técnicas de caracterización utilizadas en la obtención de
geopolímeros. 25
2.2.8 Materias Primas (aluminosilicatos) de interés .......................................... 27
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
ii
2.2.8.1 Zeolitas 27
CAPÍTULO III .................................................................................................... 30
HIPÓTESIS ....................................................................................................... 30
CAPÍTULO IV .................................................................................................... 31
PROPUESTA Y ORIGINALIDAD ...................................................................... 31
CAPÍTULO V ..................................................................................................... 32
OBJETIVOS ...................................................................................................... 32
Objetivo general ................................................................................................ 32
Objetivos particulares ........................................................................................ 32
CAPÍTULO VI .................................................................................................... 33
METAS .............................................................................................................. 33
CAPÍTULO VII ................................................................................................... 34
METODOLOGIA EXPERIMENTAL ................................................................... 34
7.1 Materiales .................................................................................................... 34
7.2 Preparación de la solución activante ........................................................... 36
7.3 Preparación de las pastas geopoliméricas .................................................. 37
7.4 Caracterización de los sistemas geopoliméricos ......................................... 40
CAPÍTULO VIII .................................................................................................. 42
RESULTADOS Y DISCUSIÓN .......................................................................... 42
8.1 Resistencia a la compresión ....................................................................... 44
8.1.1 Solución HN 7M ....................................................................................... 44
8.1.2 Solución HN 10M ..................................................................................... 49
8.1.3 Solución HN 14M ..................................................................................... 52
8.2 Difracción de Rayos-X ............................................................................... 57
8.3 Espectroscopia por Infrarrojo (IR) .............................................................. 63
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
iii
8.4 Microscopía Electrónica de Barrido ............................................................ 69
8.5 Microanálisis .............................................................................................. 72
CAPÍTULO IX .................................................................................................... 85
MECANISMO DE REACCIÓN PROPUESTO ................................................... 85
CAPÍTULO X ..................................................................................................... 89
RESISTENCIA A SULFATOS ........................................................................... 89
9.1 Metodología Experimental.......................................................................... 89
9.1.1 Preparación de las soluciones de sulfato ................................................. 89
9.1.2 Preparación de muestras para el ataque con sulfatos ............................. 89
9.1.3 Caracterización de geopolímeros en ambiente de sulfatos ...................... 90
9.2 Resultados y discusión............................................................................... 90
9.2.1 Reducción en la resistencia a la compresión ........................................... 91
9.2.2 Difracción de Rayos-X............................................................................. 96
9.3.3 Espectroscopía por Infrarrojo (IR) ........................................................... 97
CAPÍTULO XI .................................................................................................. 100
CONCLUSIONES ........................................................................................... 100
REFERENCIAS ............................................................................................... 103
APÉNDICE..…………………………………………………………………………108
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Coordinación dimensional de Si descrita por la notación de Engelhardt Qn(mAl).
.......................................................................................................................... 13
Figura 2. Estructura del geopolímero Na-PS2 .................................................................... 15
Figura 3. Modelo estructural propuesto para un geopolímero del tipo K-PSS2 .................. 16
Figura 4. Estructura de una zeolita .................................................................................... 27
Figura 5. Muestra de una zeolita ........................................................................................ 27
Figura 6. Diagrama de flujo de la preparación de las pastas geopolimérias ...................... 39
Figura 7. DRX de la Zeolita ................................................................................................ 43
Figura 8. Caracterización de la zeolita natural MEB-EDS. a) Microfotografía de la zeolita
natural MEB; b) Caracterización química por EDS de la muestra en general. .. 43
Figura 9. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 7M a diferentes Relaciones
del activador y temperaturas de curado ............................................................ 46
Figura 10. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 10M a diferentes
Relaciones del activador y temperaturas de curado ......................................... 51
Figura 11. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 14M a diferentes
Relaciones del activador y temperaturas de curado. ........................................ 54
Figura 12. Resistencia a la compresión del geopolímero formado preparado con HN 7M,
10M y 14M, a una temperatura de curado de 40°C, en comparación con la
resistencia del cemento portland comercial. ..................................................... 56
Figura 13. Efecto de la relación del activador en las principales fases presentes.
Heulandita (17°2θ), Calcita (40°2 θ) y clinoptilolita (10°2 θ). Los datos
corresponden al geopolímero con los mejores resultados de Resistencia a la
compresión (40°C -28 días de curado) ............................................................. 58
Figura 14. Efecto del tiempo de curado en las principales fases presentes. Heulandita
(17°2θ), Calcita (40°2 θ) y clinoptilolita (10°2 θ). Los datos corresponden al
geopolímero con los mejores resultados de Resistencia a la compresión (40°C -
28 días de curado) ............................................................................................ 59
Figura 15. Difractogramas de rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN
10M, curados a una temperatura de 40°C con relación del activador 0.4. ........ 60
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
v
Figura 16. Difractogramas de Rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN
10M, curados a una temperatura de 40°C, con relación del activador 1.5. ....... 61
Figura 17. Difractogramas de Rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN
10M, curados a una temperatura de 40°C, con relación del activador 15. ........ 62
Figura 18. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 24 horas. con diferentes
relaciones de activador. ................................................................................... 65
Figura 19. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 7 días con diferentes
relaciones de activador. .................................................................................... 65
Figura 20. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 14 días con diferentes
relaciones de activador. .................................................................................... 66
Figura 21. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 28días con diferentes
relaciones de activador. .................................................................................... 66
Figura 22. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 90 días con diferentes
relaciones de activador. .................................................................................... 67
Figura 23. Caracterización de la zeolita activada (geopolímero). a) Microfotografía del
geopolímero; b) Caracterización química por EDS de los productos de reacción
(X); c) Caracterización química por EDS del área oscura de la fotografía (Y) .. 70
Figura 24. Caracterización de la zeolita activada (geopolímero). a) Microfotografía del
geopolímero; b) Caracterización química por EDS de la zona lisa (X); c)
Caracterización química por EDS del zona rugosa de la fotografía (Y) ............ 71
Figura 25. Caracterización de la zeolita activada (geopolímero). a) Microfotografía del
geopolímero; b) Caracterización química por EDS de los productos de reacción
(X); c) Caracterización química por EDS de los productos de reacción fotografía
(Y). .................................................................................................................... 72
Figura 26. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 0.4 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 73
Figura 27. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 0.4 a un tiempo de curado de 7 días, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 74
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
vi
Figura 28. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 0.4 a un tiempo de curado de 14 días, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 75
Figura 29. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 0.4 a un tiempo de curado de 28 días, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 76
Figura 30. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 1.5 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 77
Figura 31. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 1.5 a un tiempo de curado de 7 días, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 78
Figura 32. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 1.5 a un tiempo de curado de 14 días, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 79
Figura 33. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 1.5 a un tiempo de curado de 28 días, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 79
Figura 34. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 15 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 81
Figura 35. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 15 a un tiempo de curado de 7 días, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 82
Figura 36. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 15 a un tiempo de curado de 14 días, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 82
Figura 37. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del
activador de 15 a un tiempo de curado de 28 días, graficados e la forma de
relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 83
Figura 38. Desililicación alcalina de zeolita36 ..................................................................... 86
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
vii
Figura 39. Lixiviación del aluminio debido a la desilicación básica mediante NaOH. ........ 86
Figura 40. Lixiviación de aluminio debido a la dealuminación alcalina (Groen, 2007). ...... 87
Figura 41. Evolución de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP, inmerso en
una solución al 5% de Na2SO4. ......................................................................... 93
Figura 42. Evolución de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP, inmerso en
una solución al 5% de MgSO4. .......................................................................... 93
Figura 43. Reducción de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP sujeto a
ataque de sulfatos inmerso en una solución al 5% de Na2SO4. ........................ 94
Figura 44. Reducción de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP sujeto a
ataque de sulfatos inmerso en una solución al 5% de MgSO4. ......................... 95
Figura 45. Espectros de DRX del geopolímero formado y CP inmersos durante 6 meses en
soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4. E-Etringita, C-Clinoptilolita, Ca-
Calcita, S-Sílica, H-Heulandita. ......................................................................... 97
Figura 46. Espectros de FTIR del geopolímero formado y CP inmersos durante 6 meses
en soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4. ............................................ 98
Figura 47. Espectros de FTIR con aumento, del geopolímero formado y CP inmersos
durante 6 meses en soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4. ................ 99
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
viii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Historia bibliográfica de cementos activados de forma alcalina ......................... 11
Tabla 2. Clasificación y uso de geopolímeros. ................................................................. 12
Tabla 3. Composición elemental y propiedades físicas de los minerales alumino-silicatos
seleccionados. .................................................................................................. 18
Tabla 4. Aplicaciones de los geopolímeros para diferentes relaciones Si-Al ................... 22
Tabla 5. Datos de resistencia mecánica de geopolímeros reportados por diferentes
autores .............................................................................................................. 23
Tabla 6. Dosificación de las mezclas para cada relación del activador utilizado. ............ 36
Tabla 7. Porcentajes en peso de Na2O y H2O en las soluciones activadoras. ................. 37
Tabla 8. Análisis químico de la Zeolita ............................................................................. 42
Tabla 9. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y
una relación activadora (SN/HN) de 0.4. .......................................................... 44
Tabla 10. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y
una relación activadora (SN/HN) de 1.5. .......................................................... 44
Tabla 11. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y
una relación activadora (SN/HN) de 5. ............................................................. 45
Tabla 12. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y
una relación activadora (SN/HN) de 10. ........................................................... 45
Tabla 13. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y
una relación activadora (SN/HN) de 15. ........................................................... 45
Tabla 14. Resistencia a la compresión del cemento. ....................................................... 45
Tabla 15. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 10M
y una relación activadora (SN/HN) de 0.4. ....................................................... 49
Tabla 16. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 10M
y una relación activadora (SN/HN) de 1.5. ....................................................... 49
Tabla 17. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 10M
y una relación activadora (SN/HN) de 5. .......................................................... 50
Tabla 18. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 10M
y una relación activadora (SN/HN) de 10. ........................................................ 50
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
ix
Tabla 19. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 10M
y una relación activadora (SN/HN) de 15. ........................................................ 50
Tabla 20. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 14M
y una relación activadora (SN/HN) de 0.4. ....................................................... 52
Tabla 21. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 14M
y una relación activadora (SN/HN) de 1.5. ....................................................... 53
Tabla 22. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 14M
y una relación activadora (SN/HN) de 5. .......................................................... 53
Tabla 23. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 14M
y una relación activadora (SN/HN) de 10. ........................................................ 53
Tabla 24. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 14M
y una relación activadora (SN/HN) de 15. ........................................................ 53
Tabla 25. Porcentajes de fases presentes en los geopolímeros preparados con HN 10M y
relación de activador de 0.4, a diferentes tiempos de curado. .......................... 61
Tabla 26. Porcentajes de fases presentes en los geopolímeros preparados con HN 10M y
relación de activador de 1.5, a diferentes tiempos de curado. .......................... 62
Tabla 27. Porcentajes de fases presentes en los geopolímeros preparados con HN 10M y
relación de activador de 15, a diferentes tiempos de curado. ........................... 63
Tabla 28. Vibraciones principales presentes en materiales geopoliméricos .................... 64
Tabla 29. Reducción de la resistencia a la compresión del CP y Zeolita natural ante un
ambiente de Na2SO4. ........................................................................................ 92
Tabla 30. Reducción de la resistencia a la compresión del CP y Zeolita natural ante un
ambiente de MgSO4. ......................................................................................... 92
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
x
NOMENCLATURA
CP Cemento Pórtland
C Óxido de calcio (CaO)
S Sílice (SiO2)
H Agua (H2O)
C-S-H Slicato de Calcio Hidratado sin estequiometría definida
NMR Resonancia Magnética Nuclear
EELS Espectroscopia de Pérdida de Energía de Electrones
MK Metacaolín
XRD Difracción de Rayos X
FTIR Espectroscopia de infrarrojo
EDS Espectroscopia por dispersión de energía
SN Silicato de Sodio
HN Hidróxido de Sodio
Me Metal alcalino
A Al2O3
N Na2O
S/A Relación molar SiO2/ Al2O3
N/A Relación molar Na2O/ Al2O3
H/N Relación molar H2O/Na2O
N/S Relación molar Na2O/SiO2
CV Ceniza Volante
AAS Escorias activadas por álcalis
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
1
RESUMEN
En la actualidad, el concreto a base de cemento Portland (CP) es el material de
construcción más ampliamente utilizado. Uno de los aspectos negativos de este
material se origina durante la producción del CP, debido a la generación de CO2
que se libera a la atmósfera por la calcinación de la materia prima y el consumo
de combustibles. Una de las alternativas para reemplazar el CP está representada
por la síntesis de geopolímeros a base de aluminosilicatos minerales. Los
geopolímeros se consideran seriamente como el material del futuro, por su bajo
impacto ecológico y alto rendimiento relativo al consumo de materias primas,
además de que la producción de éstos, originan la reducción de hasta un 86% de
las emisiones de CO2.
Con el objetivo de determinar las condiciones óptimas para generar un material
con resistencia a la compresión equiparable a la generada por el cemento
Portland, se efectuó la geopolimerización de la zeolita, empleando soluciones de
Hidróxido de Sodio y Silicato de Sodio, los geopolímeros son una fase amorfa
metaestable de zeolitas, se evaluaron diferentes relaciones de silicato de
sodio/hidróxido de sodio (R=0.4, 1.5, 5, 10 y 15), la concentración de hidróxido de
sodio (7, 10 y 14 M) y la temperatura de curado (25°C, 40°C, 60°C y 80°C). Las
pastas preparadas de acuerdo a la combinación de las variables señaladas fueron
vaciadas en moldes cúbicos de 5 x 5 x 5 cm y se sometieron a tiempos de curado
de 1, 7, 14, 28 y 90 días, al finalizar, se ensayaron las muestras para determinar la
resistencia a la compresión. Como base de comparación se preparó concreto
empleando CP comercial y arena estándar de acuerdo a las características
definidas por las Normatividad ASTM (ASTM 2005(a) y 2005 (b); ASTM 2006.
Los resultados obtenidos demostraron que el aumento en la relación del activador
(SN/HN), al igual que el tiempo de curado, favorecen la resistencia mecánica del
geopolímero, sin embargo, temperaturas de curado de 80°C, y tiempos de curado
mayores a 90 días, ya no presentan desarrollo de la resistencia mecánica del
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
2
geopolímero. Las mejores propiedades se obtuvieron utilizando la solución de HN
10M, con una relación de solución activadora (SN/HN) de 1.5, a una temperatura
de curado de 40°C, obteniéndose mayores valores de resistencia a la compresión
que el CP hasta en un 30%. Adicionalmente, los geopolímeros formados se
prepararon nuevamente con el objetivo de determinar la durabilidad de los mismos
en un ambiente de sulfatos. Dos tipos de sulfatos fueron utilizados para determinar
la resistencia de la zeolita natural con ataque de sulfatos en soluciones de 5% de
sulfato de sodio y 5% de sulfato de magnesio. Después de seis meses de
exposición en soluciones de sulfatos la resistencia decreció alrededor de 21%
para el geopolímero y 31%para el CP en ambiente de sulfato de sodio, y la
reducción en resistencia en un ambiente de solución de sulfato de magnesio fue
de 26% para el geopolímero y 39% para el CP. Las muestras de CP expuestas a
soluciones de sulfato de magnesio presentaron expansión y grietas en la
superficie, mientras que las muestras de geopolímero no presentaron expansión.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
3
ABSTRACT
Currently concrete is the most widely used construction material. One of the
negative aspects of cement production is the generation of CO2 through calcination
of raw material and fuel consumption. One of the alternatives for replacing PC is
the synthesis of geopolymers based on aluminum silicate minerals. Geopolymers
have been considered as materials from the future, their low environmental impact
and high performance relative to the consumption of raw materials, in addition to
their production, cause a reduction of up to 86% of CO2 emissions.
Optimal conditions for generating a material with compressive strength at least
equal to that generated by the PC materials were determined. Zeolite
polymerization was carried out using solutions of sodium hydroxide and sodium
silicate, geopolymers are metastable phase of an amorphous zeolites, To meet this
objective, various relations of sodium silicate/sodium hydroxide (R = 0.4, 1.5, 5, 10
and 15), the concentration of sodium hydroxide (7, 10 and 14 M), and the curing
temperature (25 ° C, 40 ° C, 60 ° C and 80 ° C) were evaluated. The resultant
material prepared according to the combination of the target variables were poured
into 5X5X5 cm cubic molds, and subjected to curing times of 1, 7, 14, 28 and 90
days, at the end, the samples were tested for resistance to compression. For
comparison, concrete was prepared using commercial PC and standard sand
according to the characteristics defined by the standard procedures of ASTM
(ASTM 2005 (a) and 2005 (b) ASTM 2006.
The results showed that increasing the ratio of the activator (SN/HN) as well as the
curing time favor the strength of the geopolymer, however, curing temperatures of
80 ° C, and cure times over a 90 day, no present development of the mechanical
strength. The best properties were obtained using HN 10M solution with an
activator solution ratio (SN / HN) of 1.5, at a curing temperature of 40°C, yielding
higher values of resistance to compression up to the PC 30%. Additionally, the
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
4
newly prepared geopolymer is formed in order to determine the durability of the
same in an atmosphere of sulfates. Two types of sulfates were used to determine
the resistance of the natural zeolite to sulfate attack, in 5% solution of sodium or
magnesium sulfate. Mechanical strength was evaluated as a function of time and
the results were related to the microstructural changes. After 6 months of exposure
in sodium sulfate environment the geopolymer and Portland cement (PC) strength
have decreased about 21% and 31%, respectively. The strength reductions were
26% and 39% for geopolymer and PC, respectively. PC samples exposed to
magnesium sulfate solutions revealed expansion and cracks on their surface, while
geopolymer samples did not show any expansion.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
5
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Entre los materiales considerados como los cementos del futuro están los
GEOPOLÍMEROS, cuyo desarrollo surgió a finales de los años 70 desarrollados
por J. Davidovits1. Estos materiales se elaboran con materias primas naturales o
desechos industriales de composición tipo silicoaluminato. Los productos
geopoliméricos consisten de una red silicoaluminosa tridimensional de tetraedros
de SiO2 y Al2O3 ligados alternativamente compartiendo oxígenos. La fórmula
empírica es Mn{-(SiO2)z-AlO2}n,wH2O, donde M= K+, Na+, Ca++, n es el grado de
policondensación y z = 1,2 3 que indica el número de enlaces siloxano.
Los materiales poliméricos inorgánicos (geopolímeros) han tenido un fuerte
impulso en los últimos 15 años por diversos grupos de investigación. El concreto a
base de cemento Portland (CP) es el material de construcción más ampliamente
utilizado a nivel mundial, dado que es más económico (comparado con metales y
otros materiales). Sin embargo por cada kilogramo de cemento, se emite otro de
CO2 a la atmósfera debido a la calcinación de la materia prima y al uso de
combustibles. Con el crecimiento demográfico y la industrialización, se estima que
para el 2015 la contaminación generada por la producción del cemento
representará el 17% de la emisión mundial de CO2 (actualmente es alrededor del
7%).
La literatura presenta un análisis comparativo desde la perspectiva de rendimiento
de materiales. Para el CP, en su fase principal, se tienen 3 moles de CaO por 1
mol de SiO4; mientras que para los geopolímeros sialato-siloxo se tienen 1 mol
Na2O por 6 moles de SiO4. Sobre esta base molecular se puede calcular que:
Por 100 g de CaO (materia prima de CP) se obtienen 155 gramos de
cemento (ó 310 gramos de cemento reemplazado en 50% en peso con algún
material puzolánico).
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
6
Por 100g de Na2O se obtienen entre 990-2475 g de cementos geopolimérico
de diversos tipos.
Lo anterior indica que, sobre la misma base de 100 g del óxido correspondiente,
se genera 3 veces más cemento mediante geopolimerización que por la
producción convencional de CP.
Desde la perspectiva de conservación ambiental, asumiendo que los óxidos Na2O
y CaO provienen de los carbonatos de Na2CO3 y CaCO3 (para CP), para una base
de 100g de CO2 emitido por calcinación a la atmósfera es posible estimar que:
Se generan: 179 gramos de cemento (ó 358 de reemplazado en 50% en peso
con algún material puzolánico)
Se generan entre 1,277 y 3,192 kg de cemento geopolimérico de diversos
tipos.
Lo anterior indica que la producción de cemento mediante geopolimerización,
tomando el nivel de producción más bajo (1277 kg), origina la reducción en un
86% de las emisiones de CO2.
Estas estadísticas hacen considerar seriamente a los geopolímeros como un
material del futuro por su bajo impacto ecológico y alto rendimiento relativo al
consumo de materias primas.
En paralelo a las ventajas ecológicas que puede representar el uso de
geopolímeros, están las propiedades tecnológicas. Mediante la determinación de
las formulaciones químicas adecuadas, es posible obtener propiedades mecánicas
dependientes de la temperatura de curado. Por ejemplo, algunos reportes indican
que durante las primeras 10 horas es posible obtener resistencias mínimas de 6
MPa a temperatura ambiente, y de 34MPa a 85°C; después de 24 horas las
resistencias pueden alcanzar hasta 65MPa. Otras propiedades atribuidas a los
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
7
geopolímeros son alta durabilidad química, gran dureza, resistencia a altas
temperaturas, excelente acabado, etc. Cabe aclarar que las propiedades varían
también en función de las características físicas y químicas de las materias primas
empleadas en su formulación. La gran abundancia de aluminosilicatos genera un
amplio campo de desarrollo para los geopolímeros, razón por la cuál es necesario
caracterizar las materias primas que se tengan disponibles y desarrollar
formulaciones químicas que optimicen las propiedades de explotación deseadas.
Lo anterior, solo puede lograrse mediante investigaciones a nivel laboratorio, antes
de efectuar las pruebas de campo, donde las aplicaciones pueden ser muy
extensas como concretos, recubrimientos resistentes al ataque químico,
recubrimientos impermeables, tejas, pisos y refractarios.
A pesar de que la mayor parte del desarrollo de los materiales cementantes
químicamente activados se ha efectuado empleando escorias, existe un interés
considerable en la evaluación de otros materiales silicoaluminosos (Al-Si). Este
interés es compartido por la industria minera, debido a las grandes extensiones de
yacimientos de materiales silicoaluminosos en nuestro país y la búsqueda de
nuevos mercados y productos para su aplicación1.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
8
CAPÍTULO II
ANTECEDENTES
2.1 Historia y Desarrollo
El término geopolímero fue primero introducido al mundo químico por Davidovits a
mediados de los 70´s. Davidovits definió a la geosíntesis como la ciencia de la
industria de la piedra artificial producida a una temperatura por debajo de 100°C
para obtener características naturales. De esta forma, los geopolímeros son vistos
como un mineral polimérico resultado de geoquímica o geosíntesis2. En particular
algunas investigaciones de Davidovits han mejorado las características químicas y
mecánicas de productos geopoliméricos, quien, también ha identificado una gran
variedad de aplicaciones industriales para esos productos. Los geopolímeros
pueden ser utilizados en la manufactura de concretos estructurales o elementos
no estructurales cubriendo una amplia variedad de usos y aplicaciones2.
Aun cuando el término “material geopolimérico” fue acuñado recientemente, el uso
de activadores alcalinos para estimular las propiedades puzolánicas de los
materiales tiene una larga historia, de hecho, las fechas iniciales de su aplicación
corresponden por lo menos al tiempo de “Nabucodonozor”. Se han encontrado
ladrillos en la ciudad de Ur. de Chaldeess producidos por una mezcla de cal y
cenizas. Malinowsky, Langton y Roy3, observaron la durabilidad de construcciones
antiguas en Italia, Grecia, Chipre, y Egipto, demostrando que morteros y
concretos antiguos han permanecido estables bajo condiciones severas de
corrosión durante 2000 años, mientras que un concreto de CP moderno puede ser
esencialmente destruido después de tan sólo 10 años. Langton y Roy también
encontraron aluminosilicatos de sodio hidratado (analcita) en morteros y concretos
de cemento puzolánico romano. La presencia de zeolita en diferentes cementos
antiguos sugiere que este mineral es una fase final y estable de conversión de
largo plazo, que parte de fases primarias constituyentes similares a la zeolita, y
que favorece el incremento de la durabilidad de los cementos.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
9
En la época moderna, los cementos activados de forma alcalina han sido
comercializados bajo la marca Pyrament, cemento tipo F en Finlandia y los
“geocementos” de Ucrania4. La mayor parte del trabajo sobre cementos alcalinos
corresponde a la activación de escorias granuladas de alto horno por álcalis (Ver
Tabla 1). Tales escorias con la adición de una fuente de álcali se llevan al sistema
Me2O-MeO-Me2O3-SiO2-H2O y son definidos como materiales híbridos, es decir,
se encuentran entre cementos "activados por álcalis" y "alcalinos". El término
"activado por álcalis" es empleado debido a que los iones R+ (cationes alcalinos)
actúan como catalizadores en el periodo inicial de la activación, en periodos
posteriores se combinan en estructuras similares a las de la zeolita3.
La Tabla 1, muestra cronológicamente algunas referencias importantes en el
desarrollo de activadores y cementos alcalinos.
2.2 Geopolímeros
2.2.1 Definición
Los geopolímeros son aluminosilicatos que consisten de unidades tetraédricas de
aluminio y silicio condensadas a temperatura ambiente; los cuales presentan una
estructura con carga balanceada por medio de la presencia de iones metálicos
alcalinos2. Poseen excelentes propiedades como: alta resistencia a la compresión,
dureza en escala de Mohs entre 4-7 y estabilidad en un rango de temperaturas de
1300-1400 oC 5. Los geopolímeros pueden ser vistos como los equivalentes
amorfos de ciertas zeolitas sintéticas. La ruta de reacción de polimerización puede
ser clasificada como una reacción de policondensación inorgánica, y podría ser
comparada con la formación de zeolitas. La mayoría de las síntesis de la zeolita
son realizadas bajo condiciones básicas usando OH- como un agente
mineralizador. De acuerdo con Van Jaarsveld (1998) un metal alcalino es
necesario para que ocurra la disolución de la sílice y la alúmina, así como para la
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
10
catálisis de la reacción de condensación2. Los geopolímeros se forman por la co-
polimerización individual del aluminio y especies de silicatos, los cuales se
originan de la disolución de la sílice y aluminio contenido en los materiales con un
alto pH en presencia de silicatos solubles6.
2.2.2 Clasificación química y nomenclatura
Se ha establecido una clasificación química basada en unidades de
aluminosilicatos. Los geopolímeros que están basados en aluminosilicatos son
llamados poli-sialatos. Este término es una abreviación de poli-(silico-oxo-
aluminato) o (-Si-O-Al-O-)n, siendo n el grado de polimerización2. El hecho de que
el Al está en coordinación tetraédrica con respecto al O crea un desequilibrio de
carga negativa y por consiguiente la presencia de cationes tales como K+, Na+ y
Ca+2 es esencial para mantener neutralidad eléctrica en la matriz2. Los tetraedros
de SiO4 y Al2O3 forman precursores poliméricos [SiO4 – AlO4-] (polisialato-disiloxo)
para dar lugar a la formación de geopolímeros, esto se resume en la Tabla 22
Esta nomenclatura fue determinada en base a las observaciones de que los
geopolímeros eran amorfos a los rayos X, y mediante NMR se observó que
contenían exclusivamente Al y Si en coordinación tetraédrica2.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
11
Tabla 1. Historia bibliográfica de cementos activados de forma alcalina3
Autor (es) Año Importancia
Feret 1939 Escoria usada para cemento
Purdon 1940 Combinaciones de escoria
Glukhovsky 1959 Fundamento teórico y desarrollo de cementos alcalinos
Glukhovsky 1965 Primer nombre de "cementos alcalinos" a causa de las sustancias naturales usadas como componentes.
Davidovits 1979 El término "Geopolímero" enfatiza una polimerización elevada
Malinowski 1979 Acueductos antiguos caracterizados
Forss 1983 Cemento F (escoria superplastificada)
Langton y Roy 1984 Materiales caracterizados de construcciones antiguas (Roma, Grecia)
Davidovits y Sawyer 1985 Patente de "Pyrament"
Krivenko 1986 Tesis, Me2O-MeO-Me2O3-SiO2-H2O
Malolepsy y Petri 1986 Activación de escoria de melilita sintética
Malek 1986 Cemento de escoria para contenedores de desechos rediactivos
Davidovits 1987 Comparación de concretos antiguos y modernos
Deja y Malolepsy 1989 Resistencia a cloruros
Causal 1989 Desechos nucleares adiabáticos curados formados de mezclas alcalinas incluyendo la formación de zeolita
Roy y Langton 1989 Concretos análogos antiguos
Majumdar 1989 Activación de escoria-C12A7
Talling y Brandstetr 1989 Escoria –activada
Wu 1990 Activación de cemento de escoria
Roy 1991 Ajuste rápido de cementos altivados
Roy y Silsbee 1992 Cementos activados
Palomo y Glasser 1992 CBC con metacaolín
Roy y Malek 1993 Cementos de escoria
Glukhovsky 1994 Antiguos, modernos y futuros concretos
Krivenko 1994 Cementos alcalinos
Wang y Scrivener 1985 Microestructura de escoria y escoria activada
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
12
Tabla 2. Clasificación y uso de geopolímeros2.
Categoría Estructura Catión Alcalino Uso
Polisialato (PS)
K-PS Na-PS
Aislante Térmico Resistencia al fuego
Polisialato-Siloxo (PSS)
K-PPS Na-PPs
K,Ca-PPS
Refractario Resistencia al fuego Cementos para desechos tóxicos
Polisialato disiloxo (PSDS)
K-PSDS Na-PSDS
K,Na-PSDS
Compósitos Refractarios Resistencia al fuego
Otro tipo de notación para describir sistemas álcali-aluminosilicatos, fue descrita
por Engelhardt7. La notación Qn(mAl) donde 0 m n 4, n representa el número
de coordinación del Si central y m es el número de Al vecinos y se usa para definir
la conexión de tetraedros de Si con átomos de Al. Esta notación puede ser
utilizada para caracterizar explícitamente sistemas de aluminosilicatos incluyendo
vidrios, geles, zeolitas y minerales en investigaciones experimentales o
modelación. La base tridimensional de la notación Qn(mAl) se ilustra en la Figura
1, donde n es 4 y corresponde a la geometría tetraédrica observada en los
geopolímeros 7.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
13
Figura 1. Coordinación dimensional de Si descrita por la notación de Engelhardt Q
n(mAl)
7.
La estructura de los geopolímeros puede ser amorfa o cristalina, esto dependerá
de la temperatura a la que se lleva a cabo la condensación. A temperaturas de
reacción en el rango de 20 a 90°C se obtienen normalmente geopolímeros
amorfos, mientras que a temperaturas de 150-200°C se obtienen productos
cristalinos. Asimismo se ha propuesto que la estructura cristalina de geopolímeros
es semejante a la de las zeolitas2.
Los geopolímeros poseen excelentes propiedades mecánicas, resistencia al fuego
y resistencia a los ácidos. Estas propiedades hacen a los geopolímeros un
material potencial para la construcción. Sin embargo, las aplicaciones comerciales
de los geopolímeros son limitadas actualmente, por lo que incrementar el
desarrollo e investigación de estos materiales podría facilitar su rápida aceptación
y comercialización6.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
14
2.2.3 Síntesis
La síntesis de este tipo de materiales se produce mediante una reacción de
geopolimerización; sin embargo, el mecanismo exacto por el cual la
geopolimerización y el endurecimiento ocurre no ha sido totalmente esclarecido.
La mayoría de los mecanismos propuestos consisten en la disolución,
transportación y orientación así como pasos de reprecipitación (policondensación).
Hua y Van Deventer6 presentaron esquemáticamente el mecanismo de la
siguiente manera:
Ec. 1
Ec. 2
De acuerdo con Davidovits6, la generación de los geopolímeros requiere
condiciones de síntesis hidrotermales similares a las de las zeolitas. Los tiempos
de reacción, sin embargo, son sustancialmente rápidos, resultando en matrices
amorfas o semicristalinas comparadas con la alta cristalinidad y estructura regular
de las zeolitas.
OnHOSiOAlOSiKNa
OH
KOHNaOHOHSiOAlOSiOHn
2
|
|
|
|
|
|
2
3|
3
4,
)(
)()(
2
3|
3
222252
)(
)()(,
42,
OH
OHSiOAlOSiOHnKNa
KOHNaOHOnHnSiOOAlOSin
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
15
Los cationes metálicos como Na+, K+, Li+, Ca2+, H3O+ o Ba2+ que se encuentran en
el arreglo polimérico deben de estar presentes en la estructura con el fin de que
ocurra un balance de cargas2
Como se muestra en la Figura 2, la estructura propuesta consta de tetraedros de Si
y Al, distribuidos de forma aleatoria a lo largo de cadenas poliméricas, las cuales
se entrelazan para formar cavidades de tamaño suficiente para acomodar iones
alcalinos metálicos y balancear las cargas2.
Figura 2. Estructura del geopolímero Na-PS2
Una estructura más ordenada ha sido sugerida para el polímero polisialato siloxo
(PSS) de potasio tal como se muestra en la Figura 3, de la cual puede derivarse
una estructura análoga de PSS de sodio. La estructura de la Figura 2 es preferida
debido a su gran desorden y habilidad para acomodar iones de sodio. Lo anterior
es más consistente con datos experimentales obtenidos de diversas
investigaciones2.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
16
Figura 3. Modelo estructural propuesto para un geopolímero del tipo K-PSS
2
En base a lo anterior, los geopolímeros pueden ser sintetizados a partir de
materias primas pulverizadas naturales o artificiales con alto contenido de sílice y
alúmina. Los polvos aluminosilicatos son comúnmente activados químicamente2.
2.2.4 Efecto del tipo de catión alcalino
Los iones de Na+ y K+ son de gran importancia en el desarrollo de las propiedades
físicas y químicas de la estructura final y la presencia de moléculas de agua
promueve la reacción de los cationes metálicos; así mismo, esas moléculas de
agua pueden ser parcialmente remplazadas por especies de silicatos o
aluminosilicatos lo que resulta en la formación de núcleos que sirven como puntos
de desarrollo estructural durante la síntesis de geopolímeros2.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
17
2.2.5 Materias primas utilizadas en la síntesis de geopolímeros
Las síntesis de geopolímeros al igual que las zeolitas, depende del uso de
materias primas reactivas ricas en aluminolisicatos que presentan alto grado de
inestabilidad termodinámica manifestada por la presencia de una estructura
amorfa en el material6.
Dado que los aluminosilicatos son los compuestos más abundantes en la corteza
terrestre, existe un buen número de fuentes de materia prima ricas en alúmina y
sílice con potencial para producir geopolímeros. Entre los materiales con los que
se ha trabajado para la obtención de geopolímeros además de la ceniza volante
(CV) se encuentran; arcillas, escorias y puzolanas con activadores alcalinos por
debajo de 150oC
8. Las fuentes utilizadas para producir geopolímeros pueden
clasificarse en dos grupos según sus requerimientos de pre-tratamiento: a)
materiales calcinados, como metacaolín, residuos de construcción, desechos
puzolánicos etc., y b) materiales no calcinados, como ceniza volante (CV), caolín,
escoria, feldespatos, rocas minerales del tipo aluminosilicatos entre otros.
Investigaciones previas han demostrado que la geopolimerización con materiales
calcinados promueve una rápida disolución y gelación, y así mismo el desarrollo
de una alta resistencia mecánica a corto tiempo2.
Xu y Van Deventer6, llevaron a cabo una investigación de 16 minerales naturales
de Al-Si, con tamaño de partícula de 212 µm, cuyas características principales se
presentan en la Tabla 3. El propósito de esta investigación fue el de determinar el
efecto de las propiedades minerales en la resistencia a la compresión del
geopolímero sintetizado. Sus resultados demostraron que los esqueletos de
silicatos (framework silicates), caracterizados por estructuras formadas de
tetraedros, como las del grupo de las zeolitas, presentan una mayor disolución en
el medio alcalino que aquellos aluminosilicatos con estructuras de hoja, anillo o
cadena.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
18
Tabla 3. Composición elemental y propiedades físicas de los minerales alumino-silicatos seleccionados
6.
Mineral Estequiometría
Ideal
Composición, % Peso (XRF) SiO2 Al2O3 M1
e M2
e M3
e
Dureza
Mohs
Densidad [g/cm
3]
Contaminante Radio Molar
Si/Al
Orto, di, y anillo silicato
Almandina Fe3Al2(SiO4)3 38.57 20.09 Fe2O3 36.71 MnO 4.06 MgO 2.25 6.5-7.5 4.3 1.601 Ca3Al2(SiO4)3 48.53 1.59 Fe2O3 9.68 MgO 25.41 MgO 1.26 6.5-7.5 3.5 Cuarzo
Grupo Granate Silimanita Al2SiO5 40.8 57.78 6.5-7.5 3.24 0.599 Andalusita Al2SiO5 39.87 43.63 K2O 4.32 CaO 4.05 6.5-7.5 3.14 Margarita 0.755 Moscovita Al2SiO5 38.97 44.68 Fe2O3 4.76 K2O 3.90 MgO 4.9 5.5-7 3.6 Zinwaldita 0.738 Ca2Fe
3+Al2(SiO4)(Si2O7)- 46.83 15.28 Fe2O3 10.95 CaO 12.59 MgO 6.31 5.0-6.0 3.35 Sepiolita Orto 2.598
(Fe3+
) (OH,O)2*H2O
Cadena Silicatos LiAlSi2O6 62.84 26.58 Fe2O3 1.85 K2O 1.51 MgO 0.58 6.5-7.0 3.1 2.006 Augita (Ca,Mg,Fe)2(Si,Al)2O6 44.47 14.92 Fe2O3 12.4 CaO 6.68 MgO 10.23 5.5-6.0 3.3 2.526
Hoja Silicatos Lepidolita K(Li,Al)3(Si,Al)4- 49.55 28.58 K2O 9.99 2.5-4.0 2.84 1.47 O10(F,OH)2
Grupo Mica I lIlita (K,H3,O)Al2(SiAl)- 58.01 20.14 Fe2O3 4.93 K2O 6.04 MgO 2.54 1.0-2.0 2.7 Cuarzo 2.444 O10(H2O,OH)2
Estructura Silicato Grupo Arcilla
BaAl2Si2O8 46.29 25.94 CaO 9.96 6.0-6.5 1.513 Grupo Feldespatos
Sodalita Na4(Si3Al3)O12Cl 27.57 21.51 CaO 10.76 Cl 46741 Na2O 11.53 5.5-6.0 2.25 1.087 Ppm
Grupo Sodalita Hidroxia- pofilita
KCa4Si8O20(OH,F)*8H2O 51.6 0.21 K2O 5.01 CaO 22.71 4.5-5.0 2.36
Stilbita NaCa4(Si27Al9)O72*30H2O 58.47 15.04 CaO 7.61 3.5-4.0 2.2 3.298 Heulandita (Na,K,Ca, Sr, Ba)5 64.38 12.6 Fe2O3 6.93 CaO 2.25 Na2O 3.63 3.5-4.0 2.2 4.338
(Al9Si27)O72*26H2O Grupo Zeolita
Anortita CaAl2Si2O8 46.38 14,87 Fe2O3 11.81 CaO 6.58 MgO 9.88 6.0-6.5 2.76 Augita 2.64
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
19
2.2.6 Variables principales que influyen sobre las propiedades de
geopolímeros
2.2.6.1 Contenido de agua
Investigaciones realizadas por van Jaarsveld y col.2, en pastas geopoliméricas
de CV, indicaron que la concentración de iones OH- afectó la formación de las
microestructuras y que además con un aumento en el contenido de agua (H),
se modificó la homogeneidad de las estructuras obtenidas y las propiedades
mecánicas del producto final. Estudios adicionales de Hardjito y Col.2, en
pastas geopoliméricas indicaron que los incrementos en relación molar
agua/NaOH (H/HN) mejoraron la trabajabilidad de las mezclas; sin embargo, la
resistencia a la compresión se redujo. Estudios similares de García Martínez2
mostraron que el incremento en el uso de agua para estas mismas pastas a
base de ceniza volante (CV), redujo sustancialmente las propiedades
mecánicas. Por lo anterior, podemos indicar que la adición de agua mejora la
fluidez, sin embargo, afecta a la resistencia mecánica final. Esto se puede
asociar a la formación de productos de reacción intrínsecamente débiles.
2.2.6.2 Temperatura de curado
Burciaga Díaz2 encontró que la activación a altas temperaturas provocó un
endurecimiento más rápido y desarrollo de altas resistencias a edades
tempranas de curado (24h), aunque para tiempos mayores, y temperaturas
mayores que 60oC, no se reportaron ventajas en este sentido. Sin embargo, en
el largo plazo el curado a baja temperatura resultó más favorable para el
desarrollo de una alta resistencia mecánica lográndose resistencia de hasta 84
MPa a 20oC y 28 días de curado en seco.
Estudios realizados por Palomo y Col.2, reportaron que uno de los factores que
afectan la resistencia mecánica a la compresión es la temperatura de curado, y
presentaron un estudio de CV activada curada a 65 y 85oC, que alcanzó
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
20
resistencia de 21.2 y 34.6 MPa, respectivamente. Por otra parte, estudios de
Hardjito y Walla2, indicaron que el curado a alta temperatura por largos
períodos de tiempo puede debilitar la estructura del material endurecido.
2.2.6.3 Tiempo de curado
Otro factor importante que influye en las propiedades mecánicas del producto
final, es el tiempo de curado. Van Jaarsveld y Col.9 concluyeron que el curado
a alta temperatura, por más de 2h, no afecta positivamente el desarrollo de la
resistencia a la compresión, sin embargo el curado por largos periodos de
tiempo (>2 horas) a alta temperatura (>70oC) debilita las estructuras.
Bakharev10 investigó el efecto del tiempo de curado en sistemas de CV
activados con silicato de sodio (SN) con 8% de Na, con tiempos de curado de 6
y 24 h a 75oC, reportando resistencias de 32 y 45 MPa, respectivamente.
Adicionalmente reportó que, para materiales activados con silicato de sodio
(SN) e hidróxido de sodio (HN) y curados durante 6h a 95oC, la resistencia a la
compresión se mantuvo por encima de muestras curadas durante 24h a la
misma temperatura, y las cuales presentaron pérdidas de resistencia del 25%,
respecto a las pruebas con silicato de sodio.
Millar y Col.11, reportaron que para sistemas de CV (con 22.37% de CaO)-SN-
HN, a temperaturas menores de 75oC, los geopolímeros presentaron una
dramática pérdida de resistencia a la flexión con el incremento en el tiempo de
curado, mientras que a temperaturas superiores a 85oC la resistencia aumentó
con el tiempo de curado.
2.2.6.4 Composición química
Davidovits12, propuso la adición de escoria de alto horno para concretos de alta
resistencia, la mezcla curada a 65oC por 1h puede tener la siguiente
composición: 0.20<N/S<0.36, 3.0<S/A<4.12, 12<H/N,20, 0.6<N/A<1.36.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
21
Investigaciones realizadas por Hadjito2, en morteros de geopolímero con CV,
indicaron que para relaciones de S/A= 3.98, N/S=0.11 y H/N= 10.00, las
resistencia a la compresión a 7días fueron de 42, 55, 65 y 70 MPa para
muestras curadas a 30, 45, 75 y 90oC, respectivamente.
Liang-Li y Col.2, reportaron que para un geopolímero curado a temperatura
ambiente por 24h y sintetizado a partir de un metacaolín (MK) de alta pureza
con SN e HN, la resistencia a la compresión fue de 58.5 MPa con relaciones
S/A=3.22, N/A=0.76 y H/N= 9.44.
Burciaga Diaz2, reportó resistencias a la compresión de hasta 84 MPa con
relaciones molares de S/A= 3.4, N/A= 0.83, H/N= 13.7 en pastas curadas a
20oC durante 28 días y sintetizadas con un MK de baja pureza activado con
soluciones de SN e HN.
2.2.7 Propiedades físicas y químicas de geopolímeros
Al comparar las propiedades de estos materiales geopoliméricos con el
Cemento Portland Ordinario (29.05 MPa a 28 días de curado), las propiedades
más sobresalientes de los primeros son: alta resistencia mecánica, resistencia
superior a agentes químicos y a altas temperaturas, lo cual puede permitir la
inmovilización de desechos tóxicos y la construcción de edificaciones
resistentes al fuego entre otras cosas22. La Tabla 4 presenta algunas de las
aplicaciones de los geopolímeros.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
22
Tabla 4. Aplicaciones de los geopolímeros para diferentes relaciones Si-Al.
2.2.7.1 Resistencia Mecánica
La resistencia mecánica de geopolímeros depende fuertemente del tipo y
composición del activador alcalino, de la naturaleza de la materia prima
utilizada y de los parámetros descritos anteriormente.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
23
La mayoría de las investigaciones realizadas han optado por la síntesis de
geopolímeros a alta temperatura (>50oC), sin embargo en la literatura existen
divergencias entre los autores en cuanto a condiciones óptimas de activación y
curado
En la Tabla 5, se muestran datos de propiedades mecánicas sobresalientes,
composición química y condiciones de curado de geopolímeros sintetizados por
diferentes investigadores, resumida por Burciaga2. Se observa que los
geopolímeros curados a alta temperatura desarrollan elevada resistencia a la
compresión a edades tempranas de curado; no obstante, el curado a bajas
temperaturas resulta más favorable para el desarrollo de resistencias a la
compresión a largo plazo2.
Tabla 5. Datos de resistencia mecánica de geopolímeros reportados por diferentes autores
2
2.2.7.2 Resistencia al ataque químico
La resistencia a ácidos es una propiedad deseable para materiales
estructurales usados en un ambiente agresivo de química, minería, procesos
de minerales y otras industrias. Los concretos hechos con CP y escorias
activadas por álcalis se deterioran en un ambiente ácido. En el caso del
concreto de cemento Portland CP, sales de calcio son formadas rápidamente
Materia
Prima
Composición
Química
Condiciones de
Curado
Resistencia a la
Compresión (MPa)
CV S/A=3.89, N/S=0.11,H/N=10.0
7 días a 30oC
7 días a 45oC
7 días a 75oC
7 días a 90oC
42
55
65
70
MK S/A=3.3 N/S=0.25 H/N=10 60 min a 65oC 48
MK S/A=3.22 N/A=0.76 H/N=9.44 24 h a 22oC 58.5
MK S/A=5 N/A=1.29 24 h a 75oC 62
MK S/A= 3.4 N/A=0.83 H/N=13.7 28 días a 20oC 84
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
24
debido al ataque de los ácido, debido a esto, y el concreto pierde su
resistencia y se deteriora rápidamente.
Estudios realizados por Bakharev13, demostraron que cuando las muestras
fueron probadas con una solución de ácido acético de pH=4 curados a 12
meses, el concreto realizado con escoria activada por álcalis tuvo una
reducción de la resistencia de un 33%, mientras que el concreto de CP tuvo
una reducción del 47% de resistencia. La resistencia de los materiales al
ataque ácido fue estudiada por inmersión de especímenes cilíndricos en 5% de
solución de ácido acético y ácido sulfúrico. La solución de ácido sulfúrico tenía
un pH de 0.8 mientras que el ácido acético tenía una pH de 2.4. Después de 5
meses de inmersión en las soluciones de ácido, las muestras expuestas en
ácido sulfúrico presentaron pequeños cambios de apariencia como
ablandamiento de la superficie y un insignificante cambio de tono en el color.
La examinación visual de los especímenes mostró deterioración severa el caso
de CP. En el caso de ácido acético, las muestras no presentaron cambio en
apariencia.
Los materiales geopolímeros preparados con ceniza volante tienen muy bajo
contenido de calcio (3-4% CaO) y por lo que se podría esperar que estos
posean alta durabilidad en un ambiente ácido. Las propiedades de estos
materiales geopolímeros reportan mayor durabilidad y propiedades de
resistencia al calor cuando incorporan metacaolín.
2.2.7.3 Resistencia al ataque de sulfatos
Se ha establecido que el ataque de sulfatos al CP es asociado con la reacción
química de los iones de sulfato como la sustancia agresiva y con el
componente aluminato de la pasta de cemento. La reacción entre estas
sustancias, en presencia de bastante agua, produce etringita (sulfoaluminato
de calcio hidratado) y yeso y causa la expansión del CP, fracturándose en
patrones irregulares. Estas fracturas dan fácil acceso a la penetración de los
sulfatos y el proceso continua completando la desintegración14.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
25
En 1930 fue establecido que CP bajo en aluminio tenía resistencia superior en
ambiente de sulfatos15,16. Más tarde, se encontró que el concreto a base de
escoria tenía buena durabilidad en torno a sulfato y el modo de degradación del
concreto de escoria era diferente al concreto con CP. Este escrito considera el
efecto del ataque de sulfatos en zeolita natural activada por álcalis.
Estudios realizados por Bakarev17, demostraron que, después de 12 meses de
exposición en una solución de sulfato de sodio, la reducción de la resistencia
fue de hasta 17% para AAS (Escorias activadas por álcalis) y de hasta 25%
para el CP. Después del mismo período de exposición a la solución de sulfato
de magnesio, la reducción de la resistencia a la compresión fue más sustancial,
hasta el 37% de CP y el 23% para AAS. Los principales productos de
degradación fueron etringita y yeso en el caso del CP, y yeso en AAS. Las
muestras de CP presentaron una expansión significativa y agrietamiento,
mientras que las muestras de AAS no se expandieron pero se agrietaron
durante la prueba.
2.2.7.4 Técnicas de caracterización utilizadas en la obtención de geopolímeros.
La caracterización de los productos de reacción de materiales cementantes
activados de forma alcalina, como en el caso del Cemento Portland (CP), no es
algo sencillo debido a que generalmente los productos de hidratación son
amorfos. Según la revisión de Roy3 los productos de los cementos activados
por álcalis han podido ser estudiados mediante resonancia magnética nuclear
(NMR), espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS),
microscopía electrónica de transmisión y microscopia electrónica de barrido
(MEB). Con estas técnicas se ha podido dar seguimiento a la evolución de
productos como C-S-H, (C,M)4AH13 o hidrotalcita y en menores cantidades
C2ASH8 o gelenita.
La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnica
empleada principalmente en la elucidación de estructuras moleculares, aunque
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
26
también se puede emplear con fines cuantitativos. Está basada en la medición
de absorción radiación de radiofrecuencia por un núcleo en un campo
magnético fuerte. La absorción de la radiación hace que el spin nuclear se
alinee o gire en dirección de mayor energía. Luego de absorber energía los
núcleos remitirán radiación RF y volverán al estado de energía más bajo. En
una investigación escoria activada con KOH, Jiang18 encontró resultados
compatibles con aquellos de Richardson. Malek y Roy encontraron estructuras
tipo zelolíticas mediante Si-NMR en mezclas de metacaolin activado hidratado
durante 14 días a 38°C.
Bakharev19 utilizó la técnica de DRX para identificar las principales fases
formadas en las muestras de CV, preparadas con silicato de sodio y soluciones
de hidróxido de sodio, encontrando que dichas fases eran amorfas, y solo en el
caso de las muestras preparadas con solución de hidróxido de sodio se
localizaron fases de zeolita semicristalina, presentes después de un mes de
curado. Se utilizó también espectroscopia de infrarrojo (FTIR) como técnica
complementaria para las mismas muestras, la cual mostró algunas diferencias
al hacer la comparación con la muestra inicial, por lo que se concluyó que se
formaron fases diferentes al utilizar SN e HN. Adicionalmente mediante MEB se
determinó que las muestras eran heterogéneas, debido a que contenían una
gran proporción de CV sin reaccionar. También fue posible identificar
diferencias significativas en la apariencia para los dos activadores evaluados.
Microanálisis de rayos X (EDS) fue utilizado para confirmar que el mayor
producto de hidratación fue el gel de aluminosilicato.
Xie y Xi20 emplearon MEB para revelar las fases que componen la base (por
ejemplo la composición de la ceniza volante), y posteriormente, realizaron un
análisis por difracción de rayos X (DRX) para verificar la información obtenida
del MEB.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
27
2.2.8 Materias Primas (aluminosilicatos) de interés
2.2.8.1 Zeolitas
Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos con estructura basada en unidades
tetraédricas de silicio-oxígeno (SiO4) y aluminio-oxígeno (Al2O3). Estos
contienen cationes alcalinos intercambiables de tierra tales como: Na+, K+, Ca2+
y Mg2+ que mantienen carga natural. Existen varios tipos de zeolita (nueve
principales) y que surgen en las rocas sedimentarias:
Chabazita
Clinoptilolita
Erionita
Mordenita
Estilbita
Ferrierita
Filipsita
Heulandita
Laumantita
Estas zeolitas se encuentran constituidas por aluminio, silicio, hidrógeno,
oxígeno, y un número variable de moléculas de agua21.
Figura 4. Estructura de una zeolita Figura 5. Muestra de una zeolita
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
28
La estructura cristalina de la zeolita es capaz de absorber especies que tienen
diámetros que encajan a través de la entrada de los canales de la superficie
mientras se excluyen especies más grandes, dando lugar a propiedades de
cribado molecular que son explotadas en un amplio rango de aplicaciones
comerciales. Esto incluye el uso de zeolitas naturales en agua y filtración de
aire, contaminación y control de olores, higiene animal, filtración de estanques
entre otros; como relleno industrial y suplemento dietético de animales22.
Un ejemplo del empleo de zeolitas como puzolanas naturales es el uso de la
clinoptilolita, el cual se ha reportado en China, Grecia y Bulgaria. También ha
tenido aplicación en la recuperación de Cesio de los desechos de agua
radioactiva y el amoniaco de los desechos de agua municipal. El uso de la
zeolita natural en el tratamiento de residuos contaminados de metal ha sido
revisado recientemente. Algunas investigaciones han reportado removimiento
efectivo de plomo, cadmio, torio y amoniaco de residuos.
Alcántara y Col.22, llevaron a cabo una investigación de materiales cementantes
fabricados a partir de la hidratación de la zeolita natural (Clinoptilolita) con
hidróxido de calcio (CH), los cuales fueron caracterizados y comparados con
otros residuos activados de forma alcalina. La activación por álcalis de
Clinoptilolita produjo materiales con alta resistencia a la compresión (38.7MPa).
Las propiedades físicas del material sintetizado dependen del método de
preparación de la muestra, de las condiciones de curado, del tamaño inicial de
partícula y de la concentración del álcali. Mediante análisis por Microscopía
Electrónica de Barrido (MEB) combinado con Espectroscopia de Dispersión de
Energía (EDX), se encontró una relación Ca/Si en los productos de hidratación
en el rango de 0.8-1.2, que claramente es menor que los productos del
cemento Portland ordinario, el cual tiene una relación promedio de 1.823.
Las zeolitas para comercializarse como tales, necesitan ciertas propiedades, el
índice de relación de intercambio iónico debe ser alto, en caso contrario el
material no se comercializa para tratamiento de aguas o como material para
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
29
intercambio iónico. Como se mencionó anteriormente, la zeolita tiene muchas
aplicaciones, tales como: agricultura, acuacultura, alimentación de ganado,
intercambiado iónico y como catalizador en la industria química, sin embargo si
se tiene metales pesados como el As ésta es rechazada para este fin. Como ya
se describió, las zeolitas ya se han investigado para activarse y producir
materiales cementantes, sin embargo existe muy poca información al respecto
y es nula con materiales propios de nuestro país, debido a esto, en la presente
investigación se evaluará un proceso para producir un material base zeolita con
propiedades cementantes.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
30
CAPÍTULO III
HIPÓTESIS
La geopolimerización ocurre debido a la co-polimerización individual del
aluminio y especies de silicatos, los cuales una vez disueltos y en presencia de
silicatos solubles, resultan en un material geopolimérico con propiedades de
resistencia a la compresión similares al CP. En base a lo anterior se establece
la siguiente hipótesis:
Las zeolitas son materiales silicoaluminosos cristalinos con estructura basada
en unidades tetraédricas de silicio-oxígeno (SiO4) y aluminio-oxígeno (Al2O3).
Por lo tanto, es posible emplear zeolita como material base, activarla
químicamente utilizando hidróxido sodio para generar la disolución de las
especies de Al-Si, que combinadas con silicato de sodio, generarán un material
geopolimérico con una resistencia a la compresión similar a la generada por
material con cemento portland.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
31
CAPÍTULO IV
PROPUESTA Y ORIGINALIDAD
El estudio descrito en este trabajo está orientado a la obtención de materiales
cementantes con buenas propiedades mecánicas, aplicando la activación
química alcalina de aluminosilicatos minerales para producir geopolímeros. La
directriz principal de este trabajo, es la generación de conocimiento aplicado a
la obtención de material cementante mediante tecnología amigable con el
medio ambiente. Por otra parte, el proyecto satisface la necesidad industrial de
Empresas Mineras sobre la búsqueda de nuevas aplicaciones para yacimientos
minerales que permitan obtener un producto de mayor valor agregado.
Se efectuó un estudio sistemático empleando muestras de yacimientos
minerales de tipo aluminosilicatos (e.g., zeolitas). Los estudios estuvieron
dirigidos a dos aspectos: la obtención de un material cementante con buenas
propiedades mecánicas y a la comprensión de los procesos involucrados en la
síntesis de geopolímeros.
El presente estudio involucra un aspecto innovador en el área de materiales: el
desarrollo de una alternativa tecnológica a los procesos convencionales de
producción de Cemento Portland (CP), para la obtención de materiales
cementantes. El contexto es la necesidad industrial de desarrollar procesos
prácticos que reduzcan significativamente las emisiones de CO2 a la atmósfera,
y paralelamente, generen aplicaciones comerciales de mayor valor agregado
para yacimientos minerales de aluminosilicatos
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
32
CAPÍTULO V
OBJETIVOS
Objetivo general
Estudiar la activación química alcalina de zeolita en combinación con una
solución de silicato de sodio para la obtención de un material geopolimérico,
con propiedades de resistencia a la compresión y ataque químico similares a
las obtenidas con del Cemento Portland.
Objetivos particulares
Estudiar la resistencia a la compresión y ataque de sulfatos del material
sintetizado empleando materiales silicoaluminosos del tipo zeolitas y obtener
un geopolímero con mejores propiedades de resistencia a la compresión y
ataque químico que las obtenidas con el CP.
Examinar el efecto de condiciones experimentales químicas y físicas en las
propiedades mecánicas del material, tomando como variables, soluciones de
HN con diferentes molaridades, la relación del activador (SN/HN), la
temperatura y el tiempo de curado.
Estudiar la información sobre los procesos más relevantes en la síntesis de
geopolímeros, estableciendo un mecanismo de reacción para la zeolita
empleada.
Estudiar las propiedades de resistencia al ataque químico del geopolímero
generado con las mejores propiedades de resistencia a la compresión.
Desarrollo de las habilidades para la síntesis de geopolímeros a partir de
materiales silicoaluminosos, así como la plantear una base de datos que
incluya la metodología y caracterización de geopolímeros por las diferentes
técnicas de análisis.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
33
CAPÍTULO VI
METAS
Un geopolímero con propiedades de resistencia a la compresión y ataque
químico similares a las obtenidas con Cemento a partir de zeolita natural.
Una base de datos que incluya la metodología para la síntesis, de
geopolímeros a partir de zeolita, condiciones óptimas de curado y
caracterización de geopolímeros.
Planteamiento del mecanismo de reacción de geopolimerización para la zeolita
empleada y las variables involucradas en la síntesis, que ayude a entender el
proceso de síntesis de geopolímeros.
Determinar la reducción de la resistencia a la compresión del geopolímero
sintetizado, en un ambiente de sulfatos.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
34
CAPÍTULO VII
METODOLOGIA EXPERIMENTAL
7.1 Materiales
Se llevó a cabo la selección de minerales, la caracterización de las mismas y la
experimentación para evaluar la activación química de las muestras
seleccionadas. El estudio está orientado a aluminosilicatos minerales del tipo
zeolita.
La zeolita empleada proviene de un yacimiento natural de Chihuahua, México,
localizado en el flanco occidental de la Sierra Tlahualilo. Debido a que posee
una baja capacidad de intercambio iónico, su aplicación actual se limita a
emplearse como agregado del cemento. La muestra fue homogeneizada,
secada a 60C durante un periodo de 24 horas., triturada y pulverizada
obteniendo un tamaño promedio de partícula de 80% menor a 100 m (dp80).
La preparación de las muestras para DRX involucró a un tamaño de partícula
menor a 100 m, Se llevó a cabo también un análisis mediante MEB en
muestras montadas en resina, desbastadas y pulidas con alúmina de 1 y 0.3
m.
Se utilizó silicato de sodio líquido con un módulo de 3.22 (SiO2/Na2O) e
hidróxido de sodio grado técnico para la activación alcalina. Con fines
comparativos se utilizó Cemento portland comercial. Se utilizó agua destilada
con una conductividad específica de10-6
-1cm-1.
Con el objetivo de determinar la influencia de la composición del material
sintetizado y su efecto sobre la resistencia a la compresión, se emplearon
relaciones de silicato de sodio/hidróxido de sodio de 0.4, 1.5, 5, 10 y 15,
utilizando soluciones de hidróxido de sodio de 7, 10 y 14M. Las pruebas se
realizaron empleando una relación de solución activadora/ ligante de 0.6.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
35
El material de referencia corresponde a concreto preparado empleando CP
comercial y arena estándar de acuerdo a las características definidas por las
siguientes Normas ASTM:
Norma ASTM C778-0624. Standard specification for standard sand.
Norma ASTM C150-0525. Standard specification for Portland cement.
Norma ASTM C109/C109M-0526. Standard test method for compressive
strength of hydraulic cement mortars (using 2 in or (5cm) cube specimens).
Norma C595-0627. Standard specification for blended hydraulic cements.
Norma C230/C230M-9828, Standard specification for flow table for use in testes
of hydraulic cement.
Para la elaboración de los cubos de referencia, se empleó 1 parte de cemento
portland, por 2.75 partes de arena estándar (en peso). El porcentaje de agua
utilizada, con respecto al cemento fue de 33%, solo la necesaria para obtener
una fluidez de 110+/- 5. Para realizar la mezcla de los materiales, se utilizó una
mezcladora de paleta.
A continuación el procedimiento para la elaboración de los cubos de referencia:
Se coloca el agua en la mezcladora
Se agrega el cemento al agua, enseguida se enciende la mezcladora y mezcla
a baja velocidad por 30 segundos.
Durante los siguientes 30 segundos, se adiciona la arena estándar, mezclando
a baja velocidad
Se detiene la mezcladora, se cambia a velocidad media y se mezcla durante 30
segundos.
Se detiene el mezclado y el mortero reposa durante 90 segundos (Durante los
primeros 15 segundos de este intervalo, se baja el material que haya quedado
pegado en las pareces del recipiente).
Se mezcla nuevamente a mediana velocidad durante 1 minuto más.
Se llena la mitad de los moldes y se apisona 32 veces durante 10seg,
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
36
Cuando el apisonamiento de la primera capa de todos los cubos se haya
completó, se llenan los moldes con el material restante y se apisona
nuevamente igual que la primera capa.
Al terminar el apisonado se limpia la parte superior con una espátula con
movimientos en forma de sierra.
Una vez que se hayan terminado los cubos, coloque los moldes en el cuarto
húmedo, durante un tiempo de curado de 20 a 24 horas.
Cumplido el tiempo de curado, desmolde los cubos y colóquelos en inmersión
en agua saturada con CaO, excepto aquellos tres especímenes que se
probarán a las 24 horas.
7.2 Preparación de la solución activante
Se prepararon las soluciones de HN con molaridades de 7, 10 y 14M, se
mezclaron con SN en relaciones en peso, para obtener soluciones activantes
(SN/HN) de 0.4, 1.5, 5, 10 y 15, con el objetivo de determinar la influencia de su
composición sobre la resistencia a la compresión del geopolímero resultante.
La tabla 6 muestra la dosificación de las mezclas para cada relación del
activador utilizado, tomando en cuenta la cantidad de zeolita necesaria para la
elaboración de 8 cubos de 5 x 5 x 5 cm.
Tabla 6. Dosificación de las mezclas para cada relación del activador utilizado.
Relación del Activador (SN/HN) SN (gr) HN(gr) Zeolita (gr)
0.4 226 564 1316
1.5 474 316 1316
5 658 132 1316
10 718 72 1316
15 740 49 1316
Las cantidades de Na2O y H2O que cada relación de solución activadora aporta
a la mezcla se observa en la tabla 7, así, dependiendo de la preparación de la
solución activadora los porcentajes de Na2O y H2O se modifican y la
composición química del geopolímero final se ve afectada con respecto a la
solución activadora utilizada.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
37
Tabla 7. Porcentajes en peso de Na2O y H2O en las soluciones activadoras.
Relaciòn SN/HN
Soluciones HN
% Peso
Na2O H2O H2O/Na2O
0.4
7M
4.69 86.48 18.43
1.5 6.54 75.89 11.60
5 7.92 68.02 8.59
10 8.36 72.75 8.70
15 8.53 64.51 7.56
0.4
10M
5.61 85.30 15.19
1.5 7.75 74.33 9.59
5 8.42 67.37 8.00
10 8.64 65.11 7.54
15 8.72 64.26 7.37
0.4
14M
6.84 83.71 12.24
1.5 8.09 73.89 9.13
5 8.56 67.19 7.85
10 8.72 65.01 7.46
15 8.77 64.20 7.32
7.3 Preparación de las pastas geopoliméricas
La metodología para la preparación de las pastas se muestra en la figura 6, la
solución activadora (SN/HN) se preparó en el momento de ser adicionado a la
zeolita, se preparó la cantidad necesaria para la elaboración de 8 cubos, la cual
consiste en lotes de 1316 g de zeolita y 790 g de solución activadora. Se
agregó a la mezcladora la solución activadora (HN y SN) según la relación
indicada (0.4, 1.5, 5, 10 o 15), posteriormente se agregó la Zeolita y se
mezclaron durante 5 minutos en una mezcladora de paletas con movimiento
planetario, logrando obtener una fluidez adecuada similar para todas las pastas
(Fluidez de 1105).
Las pastas preparadas con estas soluciones fueron vaciadas en moldes
cúbicos de 5 x 5 x 5 cm y se sometieron a tiempos de curado de 1, 7, 14, 28 y
90 días. A las 24 horas los cubos fueron desmoldados, y cada sistema se
sometía a la temperatura necesaria. Las condiciones de temperatura
empleadas durante el fraguado y curado fueron de a temperatura ambiente, 40,
60 y 80ºC.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
38
Una vez que cumplieran el tiempo de curado se medía la resistencia mecánica.
Pava evaluar la resistencia a la compresión, se ensayaron 3 cubos de cada
serie, reportándose el promedio de éstos, y se determinó la desviación
estándar mediante la ecuación 3.
Ec. 3
Los cubos fueron ensayados para evaluar la resistencia a la compresión a los
periodos de curado antes mencionados mediante la Norma ASTM
C109/C109M-0526. Una vez fracturado el cubo, los trozos se prepararon para
detener su reactividad mediante el tratamiento con acetona por 20 minutos,
posteriormente se guardó en bolsa con cierre hermético.
N
i
i xxN 1
2_
1
1
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
39
Figura 6. Diagrama de flujo de la preparación de las pastas geopoliméricas
Selección del sistema con mejores resultados de resistencia mecánica
para llevar a cabo los análisis químicos correspondientes a la
siguiente etapa.
Pesado de la materia prima (Zeolita) y de las soluciones
de SN y HN.
Mezcla de la Zeolita y la solución activadora
(SN y HN).
Tiempo de mezclado de 5 minutos o hasta lograr una
consistencia adecuada
(Fluidez 1105).
Vaciado de la pasta obtenida en moldes cúbicos de 5 cm.
por lado. Llenado de los moldes a la mitad, para
apisonarlos con 32 golpes y posteriormente llenarlos por completo y
apisonarlos con 32 golpes.
Los moldes a Temperatura ambiente, 40, 60 y 80
oC se
desmoldan a las 24 horas y se mide su resistencia a la
compresión al tiempo de curado
descrito anteriormente.
Medición de la resistencia mecánica en un período de 1, 7, 14, 28 y 90
días de curado.
Una vez medida la resistencia, los cubos se colocan en acetona para eliminar cualquier reacción ocurrida
por el tiempo de curado.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
40
7.4 Caracterización de los sistemas geopoliméricos
La resistencia a la compresión se midió en un período de tempo de 1, 7, 14, 28
y 90 días de curado. De las muestras preparadas se seleccionaron 3 cubos y
se tomó el valor promedio entre ellas.
Una vez que se realizó la medición de la resistencia a la compresión de los
especímenes, los restos de éstos se introdujeron en acetona grado industrial
durante 20 min para terminar con la reacción que ocurre en el proceso de
curado y posteriormente se dejan secar y se colocan en una bolsa de plástico
de cierre hermético.
Las muestras que presentaron mejores resultados de resistencia a la
compresión de cada uno de los sistemas analizados se sometieron a
caracterización por medio de DRX, MEB-EDS e IR.
La preparación de las muestras para DRX e IR involucró a un tamaño de
partícula menor a 100 m. La molienda se llevó a cabo en molino de bolas
planetario, con contenedores y bolas de alúmina, se cargaron 20 g de
geopolímero formado y se molturaron durante 15 min a 300 rpm, el polvo
resultante se almacenó en bolsas de plástico con cierre hermético. Se llevó a
cabo también un análisis mediante MEB en muestras montadas en resina,
desbastadas y pulidas con alúmina de 1 y 0.3 m.
La caracterización por DRX se realizó con el objetivo de identificar las
principales fases formadas en las muestras de zeolita, preparadas con silicato
de sodio y soluciones de hidróxido de sodio. El Difractometro Philips X´PERT,
trabajando con una intensidad de corriente de 40KV, 30mA y una longitud de
onda de 1,540598 Å de Cu.
El análisis se llevó a cabo por el método de stepscan, debido a que nos ofrece
una mejor resolución en intensidad en los patrones de difracción.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
41
Por lo tanto las características para el análisis fueron; paso de 0.4o, con un
ángulo de inicio de 5o y un ángulo final de 80o, con un tiempo por paso de 10
segundos.
Mediante MEB se determinó que las muestras eran heterogéneas debido a que
contenían una gran proporción de zeolita sin reaccionar.
Se utilizó también espectroscopia de infrarrojo (FTIR) como técnica
complementaria para las mismas muestras, con el objetivo de observar las
bandas de vibración de los enlaces característicos de las fases presentes en
los geopolímeros formados.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
42
CAPÍTULO VIII
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Una muestra representativa de zeolita, se llevó a caracterización química
mediante, absorción atómica (AA), concentración gravimétrica, y
espectroscopia por plasma (ICP), los resultados se muestras en la Tabla 8, en
donde se presentan los principales elementos que conforman la zeolita. De
acuerdo con los resultados se deduce que el contenido total de SiO2, Al2O3 y
Fe2O3 en la zeolita es aproximadamente del 71.3%, valor que es típico de
algunos otros materiales puzolánicos tales como ceniza volante y escoria de
alto horno22.
El difractograma de la zeolita (ver Figura 7) muestra la presencia mayoritaria de
fases cristalinas de clinoptilolita, y en menor medida, de heulandita; ambas
minerales tipo zeolita. También se aprecia la presencia de picos de bajas
intensidades asociados a albita (feldespato) y calcita (CaCO3). El halo
comprendido entre 20-30 (2) indica la presencia de una fracción de material
amorfo.
Tabla 8. Análisis químico de la Zeolita
Compuesto/Elemento %
Al2O3 9.412 CaO 8.033 As 2.902 Fe2O3 2.345 K 0.065 Mg 0.7148 Mn 0.0341 Na 0.5685 Pb 0.0030 SiO2 59.542 Ti 0.1093 Humedad 2 Pérdidas por Calcinación 14.27
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
43
20 40 60 80
0
500
1000
1500
C: Clinoptilolita
H: Heulandita
A: Albita
Ca: Calcita
CaCaC
C
C
CA
C
HH
CC
C
ZEOLITA
Inte
nsid
ad
(cp
s)
2
Figura 7. DRX de la Zeolita
Figura 8. Caracterización de la zeolita natural MEB-EDS. a) Microfotografía de la zeolita natural MEB; b) Caracterización química por EDS de la muestra en general.
La relación atómica de la zeolita sin activar es de 5.3
Element Wt% At%
OK 34.70 50.28
MgK 1.30 1.24
AlK 7.81 6.71
SiK 40.97 33.81
KK 2.64 1.56
CaK 7.16 4.14
FeK 5.42 2.25
Total 100.00 100.00
(a) (b)
10µm
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
44
8.1 Resistencia a la compresión
8.1.1 Solución HN 7M
Los valores obtenidos de resistencia a la compresión presentan una desviación
estándar menor de 0.06 para valores bajos de resistencia, mientras que los
valores más altos presentan una desviación estándar menor a 2 unidades.
A continuación se muestran una serie de tablas (Tablas 9-13), en las que se
presentan los resultados de la resistencia a la compresión de los geopolímeros
formados utilizando una solución de HN 7M, en función de la relación de la
solución activadora (SN/HM). En las cuales se puede observar que los mejores
valores de resistencia se obtuvieron mediante el uso de una relación de
solución activadora de 10, a una temperatura de curado de 40°C en un tiempo
de curado de 90 días, siendo este valor 7.5% mayor al obtenido en el CP. Aquí
mismo se puede determinar que el material sintetizado requiere de la activación
térmica para obtener un geopolímero con buena propiedad de resistencia a la
compresión.
Tabla 9. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y una relación activadora (SN/HN) de 0.4.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días 90 días
Ambiente 0.31 1.61 3.02 6.12 8.28
40◦C 1.69 9.1 8.35 8.59 10.75
60◦C 2.31 11.3 13.73 14 14.55
80◦C 4.31 10.24 14 15.49 15.48
Tabla 10. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y una relación activadora (SN/HN) de 1.5.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días 90 días
Ambiente 0 1.14 3.84 10.24 32.95
40◦C 0.86 13.73 27.03 28.75 30.05
60◦C 2.47 22.2 22.91 23.1 23.38
80◦C 3.53 25.14 27.81 28.32 28.36
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
45
Tabla 11. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y una relación activadora (SN/HN) de 5.
Tabla 12. Resistencia mecáni
ca de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y una relación activadora (SN/HN) de 10.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días 90 días
Ambiente 0.47 3.92 8.04 12.12 15.55
40◦C 2.24 24.63 29.18 31.42 33.14
60◦C 8.32 25.77 24.75 24.75 27.79
80◦C 11.53 21.1 17.1 18.79 23.65
Tabla 13. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y una relación activadora (SN/HN) de 15.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días 90 días
Ambiente 0.43 2.86 5.92 7.33 7.73
40◦C 1.96 17.49 25.42 28.36 28.32
60◦C 6.12 20.63 18.44 17.96 19.65
80◦C 13.45 22.4 23.18 23.22 22.75
Para ver el efecto de la temperatura y la solución activadora se presenta las
gráficas (Figura 9) de los valores de resistencia a la compresión del
geopolímero formado, comparándolos con los valores de resistencia a la
compresión del CP (Tabla 14). Los valores de resistencia a la compresión del
CP, se obtuvieron bajo lo exigido por las normatividad de la ASTM.
Tabla 14. Resistencia a la compresión del cemento.
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días 90 días
Cemento 9.9 22.69 28.48 29.05 30.85
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días 90 días
Ambiente 0.12 2.39 5.41 10.2 20.32
40◦C 1.65 17.65 26.52 30.28 31.3
60◦C 4.16 19.97 18.63 17.34 19.22
80◦C 12.51 23.85 21.22 23.85 24.28
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
46
Figura 9. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 7M a diferentes Relaciones del activador y temperaturas de curado
-7 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98
0
5
10
15
20
25
30
35
TEMPERATURA
80°C
TEMPERATURA
60°C
TEMPERATURA
40°C
TEMPERATURA
25°C
Temperatura de Curado (Días)
CEMENTO
1 7 14 28 90
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98
0
5
10
15
20
25
30
35
1 7 14 28 90
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98
0
5
10
15
20
25
30
35
1 7 14 28 90
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98
0
5
10
15
20
25
30
35
1 7 14 28 90
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98
0
5
10
15
20
25
30
35
R0.4
R1.5
R5
R10
R15
1 7 14 28 90
Resis
ten
cia
a la C
om
pre
sió
n (
MP
a)
Cemento
Zeolita sin Activar
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
47
El CP no es un compuesto químico simple, sino que es una mezcla de muchos
compuestos. Cuatro de ellos conforman el 90% o más del peso del CP y son: el
silicato tricálcico, el silicato dicálcico, el aluminato tricálcico y el aluminio ferrito
tetracálcico. Además de estos componentes principales, algunos otros
desempeñan papeles importantes en el proceso de hidratación.
Los dos silicatos de calcio, los cuales constituyen cerca del 75% del peso del
CP, reaccionan con el agua para formar dos nuevos compuestos: el hidróxido
de calcio y el hidrato de silicato de calcio. Este último es el componente
cementante más importante en el concreto. Las propiedades ingenieriles del
concreto, fraguado y endurecimiento, resistencia y estabilidad dimensional
principalmente dependen del gel del hidrato de silicato de calcio29.
Las propiedades de endurecimiento del cemento se logran mediante la mezcla
de éste con el agua. Esto resulta en la formación de productos de hidratación
que poseen cualidades ligantes y baja solubilidad en agua. La reacción química
principal se da con el silicato tricálcico y el agua, expresada en la fórmula
condensada (C = CaO, S = SiO2.H = H2O)30.
Ec. 4
.)3(3 CHxHSCHSC x
La propiedad de liga de las pastas de cemento Portland se debe a la reacción
química entre el cemento y el agua llamada hidratación.
La composición química del silicato de calcio hidratado es en cierto modo
variable, pero contiene cal (CaO) y sílice (Si02), en una proporción sobre el
orden de 3 a 2. En la pasta de cemento ya endurecida, estas partículas forman
uniones enlazadas entre las otras fases cristalinas y los granos sobrantes de
cemento sin hidratar; también se adhieren a los granos de arena y a piezas de
agregado grueso, cementando todo el conjunto. La formación de esta
estructura es la acción cementante de la pasta y es responsable del fraguado,
del endurecimiento y del desarrollo de resistencia.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
48
De manera general se observa que los geopolímeros sintetizados presentan un
incremento muy importante en la resistencia a la compresión en la primera
semana de curado, presentándose la resistencia más baja en las pruebas
efectuadas a temperatura ambiente. El periodo de curado de las pruebas a
temperatura ambiente favorecen la resistencia del geopolímero, tal como lo
demuestran los valores de compresión de las pruebas a 90 días, lo que está en
línea con lo reportado por otros autores31. El material sintetizado a una
temperatura de curado de 40°C presenta los valores de resistencia a la
compresión más altos, siendo incluso mayores a los presentados por el
cemento portland, Figura 9. A temperaturas mayores (60°C y 80°C) la
resistencia a la compresión se ve favorecida en periodos cortos de curado,
estabilizándose en periodos largos (90 días). La dependencia mostrada entre la
resistencia a la compresión y la temperatura indica que la materia prima
necesita de la activación térmica para obtener un geopolímero con buena
propiedad de resistencia a la compresión, al menos hasta los 90 días de
curado. Este mismo efecto ha sido reportado para los geopolímeros base
ceniza volante1.
Al comparar los resultados obtenidos para cada relación de activador con el
cemento portland, se puede ver que el incremento de la relación activador de
0.4 a 1.5 favorece la resistencia a la compresión, obteniéndose valores de
compresión mayores a los del CP, hasta llegar a la relación de 15, donde se
presentó un descenso en la resistencia. Cabe señalar que, la serie de muestras
obtenidas a 40°C, a partir de la relación activador de 1.5, los geopolímeros
mostraron una resistencia a la compresión 11% mayor a la presentada por el
cemento portland, en un periodo de curado de 90 días. Para la relación
activador baja (0.4), las mayores resistencias fueron obtenidas con curados a
temperaturas altas, entre 60 y 80ºC. El incremento en la relación activador
(incremento en SN) favorece la resistencia mecánica debido a que ocurre la
reacción de geopolimerización6 contribuyendo a la formación de gel,
incrementando las propiedades mecánicas.
La resistencia a la compresión se afecta para una relación de activador alta
(15), en periodos de curado largos. La caída de la resistencia a la compresión
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
49
con el incremento del SN ha sido reportado en algunos sistemas debido a la
inhibición de la reacción de geopolimerización, por la precipitación de fases de
Al-Si que evitan el contacto del material reaccionante con la solución
activadora32.
8.1.2 Solución HN 10M
A continuación se muestran una serie de tablas (tablas 15-19), en las que se
presentan los resultados de la resistencia a la compresión de los geopolímeros
formados utilizando una solución de HN 10M, en función de la relación de la
solución activadora (SN/HM). En las cuales se puede observar que los mejores
valores de resistencia se obtuvieron mediante el uso de una relación de
solución activadora de 1.5, a una temperatura de curado de 40°C en un tiempo
de curado de 28 días, siendo este valor 30% mayor al obtenido en el CP.
El valor de la resistencia del CP a 28 días es de 29.05 MPa, mientras que para
el geopolímero formado, con los mejores resultados fue de 38.20 MPa.
Tabla 15. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 10M y una relación activadora (SN/HN) de 0.4.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días
Ambiente 0.90 2.90 4.63 6.82
40◦C 1.29 5.65 10.20 21.57
60◦C 2.98 6.98 8.90 18.38
80◦C 4.86 7.61 16.32 21.73
Tabla 16. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 10M y una relación activadora (SN/HN) de 1.5.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días
Ambiente 0.78 1.61 3.29 6.12
40◦C 2.0 12.43 26.71 38.20
60◦C 1.29 17.02 22.20 18.40
80◦C 9.92 11.77 18.63 18.71
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
50
Tabla 17. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 10M y una relación activadora (SN/HN) de 5.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días
Ambiente 0.20 1.65 3.61 3.88
40◦C 2.55 12.63 26.55 28.91
60◦C 4.31 13.92 17.96 18.76
80◦C 7.61 21.53 24.63 25.42
Tabla 18. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 10M y una relación activadora (SN/HN) de 10.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días
Ambiente 0.20 2.04 2.90 6.20
40◦C 2.0 11.96 24.20 27.18
60◦C 4.67 11.77 22.63 23.10
80◦C 7.22 17.93 20.32 23.10
Tabla 19. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 10M y una relación activadora (SN/HN) de 15.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días
Ambiente 0.20 2.20 3.61 6.0
40◦C 1.61 19.02 24.91 28.59
60◦C 2.59 14.32 12.94 13.65
80◦C 4.35 17.23 21.30 23.50
La Figura 10, muestra los resultados de resistencia a la compresión del CP y
de los geopolímeros sintetizados en función del tiempo (hasta 28 días) y
temperatura de curado para cada relación activador (silicato de sodio/hidróxido
de sodio). Con la solución de HN 10M.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
51
0 7 14 21 28
0
7
14
21
28
0 7 14 21 28 35
0
7
14
21
28
35
42
0 7 14 21 28 35
0
7
14
21
28
35
42
0 7 14 21 28 35
0
7
14
21
28
35
42
0 7 14 21 28 35
0
7
14
21
28
35
42
R0.4
R1.5
R5
R10
R15
Temperatura
80oC
Cemento
ZeolitasinA
CementoTemperatura
60oC
Temperatura
40oC
Temperatura
Ambiente
Resis
ten
cia
a la C
om
pre
sió
n (
Mp
a)
Tiempo de Curado (Días)
Figura 10. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 10M a diferentes Relaciones del activador y temperaturas de curado
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
52
Se puede determinar que las muestras preparadas con solución de HN 10M no
favorecen la resistencia a la compresión a temperatura ambiente. El material
sintetizado a una temperatura de curado de 40°C presenta los valores de
resistencia a la compresión más altos, siendo incluso mayores a los
presentados por el cemento portland para una relación activador de 1.5.
Con la solución de HN 10M, la resistencia a la compresión a la temperatura de
60 y 80°C presenta un descenso y en ninguno de los casos presentan
resistencia mayores o iguales al CP. La serie de muestras obtenidas a 40°C, a
partir de la relación activador de 1.5, los geopolímeros mostraron una
resistencia a la compresión de hasta un 30% mayor a la presentada por el
cemento portland, en un periodo de curado de 28 días.
8.1.3 Solución HN 14M
A continuación se muestran una serie de tablas (tablas 20-24), en las que se
presentan los resultados de la resistencia a la compresión de los geopolímeros
formados utilizando una solución de HN 14M, en función de la relación de la
solución activadora (SN/HM). En las cuales se puede observar que los mejores
valores de resistencia se obtuvieron mediante el uso de una relación de
solución activadora de 5, a una temperatura de curado de 40°C en un tiempo
de curado de 28 días, siendo este valor 35% mayor al obtenido en el CP.
Tabla 20. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 14M y una relación activadora (SN/HN) de 0.4.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días
Ambiente 0.55 2.04 7.33 11.45
40◦C 1.96 13.57 17.06 20.98
60◦C 2.12 18.16 20 23.18
80◦C 9.45 16.59 16.36 16.49
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
53
Tabla 21. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 14M y una relación activadora (SN/HN) de 1.5.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días
Ambiente 0.39 4.43 8.59 11.10
40◦C 2.39 24.20 28.52 35.77
60◦C 4.28 11.34 11.49 14.55
80◦C 8.35 10.24 14.08 15.20
Tabla 22. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 14M y una relación activadora (SN/HN) de 5.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días
Ambiente 0.75 9.18 14.40 16.91
40◦C 1.41 20.49 25.57 39.42
60◦C 3.69 8.39 9.73 12.47
80◦C 11.57 19.65 20.36 19.18
Tabla 23. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 14M y una relación activadora (SN/HN) de 10.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días
Ambiente 0.39 3.06 6.43 6.79
40◦C 1.84 16.51 17.49 21.85
60◦C 4.51 13.89 15.14 15.53
80◦C 11.57 20.32 25.34 25.89
Tabla 24. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 14M y una relación activadora (SN/HN) de 15.
Temperatura de Curado
Resistencia a la compresión (Mpa)
24 horas. 7 días 14 días 28 días
Ambiente 0.51 2.86 3.41 6.71
40◦C 2 16.12 19.85 24.68
60◦C 4.51 8.67 10.75 10.79
80◦C 11.57 16.40 23.77 26.83
La Figura 11 presenta los resultados de resistencia a la compresión del
cemento puro y de los geopolímeros sintetizados en función del tiempo y
temperatura de curado para cada relación activador (silicato de sodio/hidróxido
de sodio). Con la solución de HN 14M.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
54
0 7 14 21 28
0
7
14
21
28
0 7 14 21 28 35
0
7
14
21
28
35
42
0 7 14 21 28 35
0
7
14
21
28
35
42
0 7 14 21 28 35
0
7
14
21
28
35
42
0 7 14 21 28 35
0
7
14
21
28
35
42
R0.4
R1.5
R5
R10
R15
Temperatura
80oC
Cemento
ZeolitasinA
CementoTemperatura
60oC
Temperatura
40oC
Temperatura
Ambiente
Resis
ten
cia
a la C
om
pre
sió
n (
Mp
a)
Tiempo de Curado (Días)
Figura 11. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 14M a diferentes Relaciones del activador y temperaturas de curado.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
55
De manera general se observa el mismo comportamiento que en la Figura 10,
presentándose la resistencia más baja en las pruebas efectuadas a
temperatura ambiente. De igual manera el material sintetizado a una
temperatura de curado de 40°C presenta los valores de resistencia a la
compresión más altos, siendo incluso mayores a los presentados por el
cemento portland. A temperaturas mayores (60°C y 80°C) la resistencia a la
compresión se ve favorecida en periodos cortos de curado, estabilizándose en
periodos largos
El incremento de la relación activador favorece la resistencia a la compresión,
obteniéndose valores de compresión mayores a los del CP. Cabe señalar que,
la serie de muestras obtenidas a 40°C, a partir de la relación activador de 5, los
geopolímeros mostraron una resistencia a la compresión hasta un 35% mayor
a la presentada por el cemento portland, en un periodo de curado de 28 días.
Para la relación activador baja (0.4), las mayores resistencias fueron obtenidas
con curados a temperaturas altas, entre 60 y 80ºC.
La figura 12, presenta los resultados de resistencia a la compresión del CP y de
los geopolímeros sintetizados en función del tiempo (90días) a una temperatura
de curado de 40°C para cada relación activador (silicato de sodio/hidróxido de
sodio). Con solución de HN 7M, 10M y 14M. con el objetivo de determinar cuál
presentó los mejores resultados de resistencia a la compresión.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
56
-7 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98
0
7
14
21
28
35
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91
0
7
14
21
28
35
42
49
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91
0
7
14
21
28
35
42
49
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91
0
7
14
21
28
35
42
49
Rel. Activador 0.4
Rel. Activador 1.5
Rel. Activador 5
Rel. Activador 10
Rel. Activador 15
7 14 28 90 7 14 28 90 7 14 28 90 7 14 28 90
Solución HN 14M Solución HN 10M Cemento Solución HN 7M
Resis
ten
cia
a la C
om
pre
sió
n (
Mp
a)
Tiempo de Curado (Días)
Cemento
Zeolita
Figura 12. Resistencia a la compresión del geopolímero formado preparado con HN 7M, 10M y 14M, a una temperatura de curado de 40°C, en comparación
con la resistencia del cemento portland comercial.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
57
Los geopolímeros sintetizados que presentaron los mejores resultados de
resistencia a la compresión, fueron los preparados bajo las siguientes
condiciones:
Solución HN 10M
Temperatura de curado 40°C
Relación activador (SN/HN) 1.5 (474g/316g)
8.2 Difracción de Rayos-X
La caracterización se llevó a cabo para las muestras preparadas con solución
de HN 10M curadas a una temperatura de 40°C, debido a que presentaron los
mejores valores de resistencia a la compresión. Se llevó a cabo un análisis
cuantitativo de fases a partir de los difractogramas obtenidos de los
geopolímeros formados.
En la Figura 13 podemos observar los cambios que ocurren en las fases
presentes en la materia prima (heulandita, clinoptilolita y calcita) dependiendo
de la relación del activador, las cuales se observa que van disminuyendo con el
aumento de éste. La fase que mayor disminución presenta es la clinoptilolita,
la cual es la que se encuentra presente en mayor proporción en la materia
prima sin activar por lo que se puede concluir que es la fase que mayor
reacción tiene al aumentar la relación del activador.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
58
Figura 13. Efecto de la relación del activador en las principales fases presentes. Heulandita (17°2θ), Calcita (40°2 θ) y clinoptilolita (10°2 θ). Los datos corresponden al geopolímero con los
mejores resultados de Resistencia a la compresión (40°C -28 días de curado)
En relación al tiempo de curado, en la figura 14 podemos observar que todas
las fases presentes en la materia prima inicial, disminuyen con el aumento del
tiempo de curado y al igual que en la figura anterior se puede observar también
que la fase que disminuye en mayor proporción es la fase de clinoptilolita, y
tomando en cuenta que la reacción de la materia prima ocurre con el tiempo de
curado podemos concluir que es por esto que a periodos largos de tiempo de
curado se obtienen las mejores resistencia a la compresión.
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Calcita
Heulandita
Clinoptilolita
u.a
.
Relación Activador
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
59
Figura 14. Efecto del tiempo de curado en las principales fases presentes. Heulandita (17°2θ), Calcita (40°2 θ) y clinoptilolita (10°2 θ). Los datos corresponden al geopolímero con los mejores
resultados de Resistencia a la compresión (40°C -28 días de curado)
Los resultados de la caracterización por DRX de los materiales geopoliméricos
se presentan en la siguiente serie de figuras. Se realiza una comparación de
los difractogramas entre todas las pruebas realizadas y también con respecto al
patrón de la zeolita sin activar.
En la figura 15 se presentan los difractogramas de Rayos X de las muestra
preparadas con relación de activador de 0.4.
0 5 10 15 20 25 30
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Calcita
Heulandita
Clinoptilolita
u.a
.
Tiempo de Curado (Días)
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
50000
100000
150000
200000
250000
CQAQQQ
H
TT
A
H
AC
H
H
T
H
QH
HH
AH
H
H
Relación de Activador de 0.4
Inte
nsid
ad
(cp
s)
2
Zeolita s/activar
24 horas.
7 días.
14 días.
28 días.
90 días.
Figura 15. Difractogramas de rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN 10M,
curados a una temperatura de 40°C con relación del activador 0.4.
De manera general, en las muestras caracterizadas no se presentó la aparición
de nuevas fases cristalinas, solo permanecieron aquellas inicialmente
detectadas para la Zeolita sin activar: heulandita [(NaH2Al)(AlSiO)(H2O)],
anortita [(Ca,Na)(Al,Si)2Si2O8], calcita (CaCO3), cuarzo (SiO2) y tridimita (SiO2),
lo cual indica que las fases cristalinas no participan en las reacciones de
geopolimerización33 y que la solución alcalina solo disuelve la fracción amorfa.
En las Tablas 25, 26 y 27 se presentan los porcentajes de las fases cristalinas
presentes en los geopolímeros formados los cuales fueron preparados con una
solución de HN 10M, y relación de activador de 0.4, 1.5 y 15 respectivamente.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
61
Fase % Fase %
Heulandita 58.7 Heulandita 60
Anortita 29.9 Anortita 28.1
Calcita 4.8 Calcita 6.3
Cuarzo 6.3 Cuarzo 5.1
Tridimita 0.3 Tridimita 0.5
Fase % Fase %
Heulandita 66 Heulandita 61.8
Anortita 19 Anortita 24.8
Calcita 8.6 Calcita 6.9
Cuarzo 5.9 Cuarzo 4.9
Tridimita 0.5 Tridimita 1.6
Tiempo de curado 28días
Tiempo de curado 24h. Tiempo de curado 7días
Tiempo de curado 14días
Fase %
Heulandita 55.3
Anortita 27.7
Calcita 10.9
Cuarzo 4.7
Tridimita 1.4
Tiempo de curado 90días
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
180000
200000
CQA
QTAT
H
H
A
H
C
H
H
HQ
H
H
HAH
H
H
Relación de Activador de 1.5
Inte
nsid
ad
(cp
s)
2
Zeolita s/activar
24 horas.
7 días.
14 días.
28 días.
90 días.
Tabla 25. Porcentajes de fases presentes en los geopolímeros preparados con HN 10M y relación de activador de 0.4, a diferentes tiempos de curado.
En la Figura 16 se presentan los difractogramas de Rayos X de las muestras preparadas con relación de activador de 1.5.
Figura 16. Difractogramas de Rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN 10M, curados a una temperatura de 40°C, con relación del activador 1.5.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
62
Fase % Fase %
Heulandita 52.9 Heulandita 59.1
Anortita 30.9 Anortita 25.7
Calcita 8.1 Calcita 8.1
Cuarzo 6.6 Cuarzo 4.8
Tridimita 1.6 Tridimita 2.3
Fase % Fase %
Heulandita 61.3 Heulandita 64.3
Anortita 23.2 Anortita 19.2
Calcita 8.5 Calcita 10.2
Cuarzo 6.0 Cuarzo 5.4
Tridimita 1.0 Tridimita 0.9
Tiempo de curado 24h. Tiempo de curado 7días
Tiempo de curado 14días Tiempo de curado 28días
Fase %
Heulandita 60.4
Anortita 22.8
Calcita 9.6
Cuarzo 5.8
Tridimita 1.3
Tiempo de curado 90días
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
50000
100000
150000
200000
CQQQ AAT
TQQ
A
A
C
H HH
H
H
H
H
HA
Q H
H
Relación de Activador de 15
Inte
nsid
ad
(cp
s)
2
Zeolita s/activar
24 horas.
7 días.
14 días.
28 días.
90 días.
Tabla 26. Porcentajes de fases presentes en los geopolímeros preparados con HN 10M y relación de activador de 1.5, a diferentes tiempos de curado.
En la Figura 17 se presentan difractogramas de Rayos X de las muestras preparadas con relación de activador de 15.
Figura 17. Difractogramas de Rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN 10M,
curados a una temperatura de 40°C, con relación del activador 15.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
63
Fase % Fase %
Heulandita 63.8 Heulandita 60.4
Anortita 21.4 Anortita 23.3
Calcita 8.4 Calcita 8.6
Cuarzo 4.8 Cuarzo 6.8
Tridimita 1.5 Tridimita 1.0
Fase % Fase %
Heulandita 60.2 Heulandita 63.2
Anortita 22.9 Anortita 18.8
Calcita 8.1 Calcita 9.8
Cuarzo 6.6 Cuarzo 5.9
Tridimita 2.2 Tridimita 2.3
Tiempo de curado 14días Tiempo de curado 28días
Tiempo de curado 24h. Tiempo de curado 7días
Fase %
Heulandita 53.8
Anortita 27.9
Calcita 7.2
Cuarzo 5.6
Tridimita 5.5
Tiempo de curado 90días
Tabla 27. Porcentajes de fases presentes en los geopolímeros preparados con HN 10M y relación de activador de 15, a diferentes tiempos de curado.
Los cambios presentados son casi idénticos para todas las muestras. La
variación que existe para cada una de las muestras es solamente porcentaje de
fases cristalinas presentes, las cuales, como se mencionó anteriormente no
participan en la geopolimerización.
En las muestras curadas a tiempos de 28 y 90 días (Figuras 21 y 22), se
observa un ligero corrimiento junto con un incremento entre 20-30°2θ, lo cual
es característico de los geopolímeros.
Debido a que los productos de reacción formados son amorfos, los resultados
de DRX son de utilidad parcial, dado que no arrojan resultados seguros con
respecto al valor máximo de la región amorfa con la cantidad de iones alcalinos
en la geopolimerización.
8.3 Espectroscopia por Infrarrojo (IR)
La interpretación de los espectros obtenidos a partir de la caracterización de las
muestras se basó en los datos presentados en la tabla 28, la cual presenta las
principales vibraciones que exhiben los materiales geopolímericos de acuerdo
a la literatura33,34.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
64
A continuación se muestran una serie de espectros de IR los cuales
representan las muestras preparadas con HN 10M curadas en tiempos de 24
horas, 7, 14, 28 y 90 días respectivamente, y a una temperatura de 40°C, Éstos
fueron seleccionados debido a que presentaron los mejores valores de
resistencia a la compresión en comparación con el cemento Portland comercial.
Tabla 28. Vibraciones principales presentes en materiales geopoliméricos
Longitud de onda (cm-1)
Tipo de Enlaces
3800-3450 Vibraciones O-H
3200-3400 Tipo -OH (H enlazado)
1650-1600 Vibraciones H-O-H
1460 Presencia de Na2CO3
950-1250 Vibraciones de tensión asimétrica Si-O-Si- y Al-O-Si
1165 Tensión asimétrica Si-O-Si
1115-1140 Tensión asimétrica Si-O-Si y Al-O-Si
1077 Tensión asimétrica Si-O-Si y Al-O-Si
950-980 Tensión Si-O (Si-O-R*)
913 Banda de enlace -OH (Al-OH)
882 Tensión Si-O y enlace -OH(Si-OH)
800 Vibraciones de AlO4
798 Tensión simétrica Si-O-Si
727 Tensión simétrica Si-O-Si y Al-O-Si
620 Tensión simétrica Si-O-Si y Al-O-Si
561 Tensión simétrica Al-O-Si
460-470 Enlaces Si-O-Si y O-Si-O
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
65
Figura 18. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 24 horas. con diferentes relaciones de activador.
Figura 19. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 7 días con diferentes relaciones de activador.
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
40
60
80
100
1500 1000 500
Longitud de onda (cm-1
)
Relación Activador 0.4
Relación Activador 1.5
Relación Activador 15
24 HORAS
Tra
nsm
itan
cia
(u
.a.)
Longitud de onda (cm-1)
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
1500 1000
Longitud de onda (cm-1)
Relación Activador 0.4
Relación Activador 1.5
Relación Activador 15
7 DÍAS
Tra
nsm
itan
cia
(u
.a.)
Longitud de onda (cm-1)
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
66
Figura 20. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 14 días con diferentes relaciones de activador.
Figura 21. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 28días con diferentes relaciones de activador.
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
1500 1000 500
Longitud de onda (cm-1)
Relación Activador 0.4
Relación Activador 1.5
Relación Activador 15
14 DÍAS
Tra
nsm
itan
cia
(u
.a.)
Longitud de onda (cm-1)
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
40
50
60
70
80
90
100
1500 1000 500
Longitud de onda (cm-1)
Relación Activador 0.4
Relación Activador 1.5
Relación Activador 15
28 DÍAS
Tra
nsm
itan
cia
(u
.a.)
Longitud de onda (cm-1)
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
67
Figura 22. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 90 días con diferentes relaciones de activador.
En todas las Figuras anteriores se observan bandas aproximadamente a 3600
y 1630 cm-1 atribuidas a vibraciones de tipo O-H y H-O-H respectivamente.
Éstas bandas indican la presencia de enlaces débiles de moléculas de H2O que
se absorben en la superficie o que están atrapadas en las cavidades de la
estructura geopolimérica34 como se indica en la Figura 2.
En la Figura 18 se muestran los espectros curados a 24 horas, donde se
aprecia una diferencia en la formación de bandas según la relación del
activador (0.4, 1.5 y 15), se observa la formación de una banda alrededor de
los 1440 cm-1, ésta se atribuye a la presencian de Na2CO3, siendo más intensa
para la muestra preparada con relación del activador 15, la cual contiene mayor
cantidad de SN. Para entender el origen de ésta banda , debemos considerar
que la solución activadora aporta iones Na+ y OH-, donde los OH- disuelven las
especies de la zeolita y Na+ interactúa en la formación de la red geopolimérica
compensando las cargas del Al en coordinación tetraédrica. por otra parte
podemos observar la formación de una banda alrededor de 1250 cm-1 a 1000
cm-1, 750 cm-1 a 600 cm-1, las cuales se deben a una traslape de las bandas
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
1500 1000 500
Longitud de onda (cm
-1)
Relación Activador 0.4
Relación Activador 1.5
Relación Activador 15
90 DÍAS
Tra
nsm
itan
cia
(u
.a.)
Longitud de onda (cm-1)
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
68
debidas a vibraciones de tensión asimétrica Si-O-Si y Al-O-Si , se observa
también la formación de una banda aproximadamente a 880 cm-1 la cual se
debe al bandas de enlace –OH(SiOH), se observa otra diferencia en la banda
aproximadamente a 790 cm-1 la cual corresponde a la tensión simétrica Si-O-Si
y aproximadamente a 560 cm-1 observamos cambios en la banda
correspondiente a tensión simétrica Al-O-Si.
En la Figura 19 (muestras curadas a 7 días) podemos observar que las bandas
correspondiente a vibraciones del tipo O-H y H-O-H aproximadamente a 3600 y
1630 cm-1 respectivamente, son más prominentes para las muestra curada a 7
días debido a que hay una mayor cantidad de enlaces presentes, posiblemente
por la formación más intensa de una estructura geopolimérica, la cual incorporó
más iones OH- que en las muestras curadas a 24 horas. atribuidas a
vibraciones de tipo O-H y H-O-H respectivamente. Al igual que las muestras
curadas a 24 horas, éstas presentan la formación de la banda alrededor de los
1440 cm-1 observándose un cambio significativo en comparación las muestras
de la figura 18.
En la Figura 20 (muestras curadas a 14 días) se observan las bandas
correspondiente a vibraciones del tipo O-H y H-O-H aproximadamente a 3600 y
1630 cm-1 respectivamente, sin embargo ésta última presentan un
comportamiento diferente en la muestra preparada con relación del activador
15 (roja) la cual es más abierta y con mayor transmitancia. Al igual que las
muestras curadas a 24 horas. y 7días se observa la banda alrededor de 1440
cm-1 la cual corresponde a la presencia de Na2CO3, presentándose ésta un
poco recorrida hacia longitudes de onda mayores para la muestra con relación
del activador 15 en comparación con las otras muestras. En ésta figura también
podemos observar un corrimiento en la banda aproximadamente a 1000cm-1
correspondiente a un traslape de las bandas debidas a vibraciones de tensión
asimétrica Si-O-Si y Al-O-Si, esto nuevamente para la misma muestra. La
banda encontrada a 880 cm-1 se observa recorrida y con diferente
comportamiento con respecto a las otras muestras. La muestra preparada con
relación del activador 15 tiene comportamientos diferentes en comparación a
las otras muestras, lo cual puede deberse a que es la muestra preparada con
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
69
mayor cantidad de SN y en un tiempo de curado mayor por lo que podemos
definir que con mayor cantidad de silicio ha precipitado y se ha inhibido la
geopolimerización.
La muestra curada a 28 días ver Figura 21, se observan las bandas
correspondiente a vibraciones del tipo O-H y H-O-H aproximadamente a 3600
y 1630 cm-1 respectivamente, en la cual no se presenta cambio alguno entre
las muestras con relación del activador 0.4 y 15, la banda encontrada a 1440
cm-1 aproximadamente se muestra recorrida a longitudes de onda mayores
para la muestra con relación del activador 15, las otras bandas encontradas en
el espectro no se observan cambios entre las muestras.
En la Figura 22 (muestras curadas a 90 días) se observan las mismas bandas
que en las figuras anteriores, presentando cambios nuevamente para la
muestra preparada con relación del activador 15, la cual, como se mencionó
anteriormente es la que contienen mayor cantidad de SN.
8.4 Microscopía Electrónica de Barrido
En las siguientes figuras se presentan las micrografías obtenidas mediante
microscopía electrónica de barrido de la zeolita sin activar (ver figura 7) y del
geopolímero que mostró la mayor resistencia mecánica de todos los sistemas
estudiados, curado a 1, 28 y 90 días con la finalidad de analizar su evolución
microestructural. La zeolita sin activar tiene un tamaño de partícula promedio
(dp80) menor a 100 m. La relación atómica Si/Al presentada por la materia
prima fue de aproximadamente 5.
La Figura 23 muestra la micrografía y el EDS del geopolímero preparado con
solución Hidróxido de Sodio 7 Molar y relación activador de 15, curado a 1 día y
temperatura de 80C, en donde se presentan dos zonas de zeolita
reaccionadas, observándose la presencia de Na y un aumento en la relación
Si/Al (8) con la incorporación de los activadores. Se observa además una
matriz de productos muy densa y muy poca porosidad presente.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
70
Figura 23. Caracterización de la zeolita activada (geopolímero). a) Microfotografía del geopolímero; b) Caracterización química por EDS de los productos de reacción (X); c)
Caracterización química por EDS del área oscura de la fotografía (Y)
En las Figuras 24 y 25 se presentan las micrografías y los EDS para el mismo
geopolímero (Solución HN 7M y relación del activador 10) curado a 28 y 90
días respectivamente a temperatura de 40C. Se observa también una matriz
densa de productos de reacción con muy poca porosidad y con una
modificación en la relación Si/Al, llegando a incrementarse hasta 11.5 para la
muestra curada a 90 días, sin embargo, presenta composiciones variables, lo
que indica la presencia de gel (con muy altas relaciones Si/Al) y productos
geopoliméricos en donde a 28 días en la zona a se encontró una relación de 3.
X
Element Wt% At%
OK 19.47 31.34
NaK 9.05 10.14
MgK 0.95 1.00
AlK 4.88 4.66
SiK 40.48 37.13
KK 2.23 1.47
CaK 20.28 13.03
FeK 2.67 1.23
Total 100.00 100.00
Element Wt% At%
OK 18.74 29.90
NaK 12.64 14.03
MgK 1.77 1.86
AlK 5.81 5.49
SiK 38.37 34.86
KK 1.58 1.03
CaK 17.73 11.29
FeK 3.36 1.54
Total 100.00 100.00
Y
a) b)
a)
10µm
c)
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
71
Figura 24. Caracterización de la zeolita activada (geopolímero). a) Microfotografía del geopolímero; b) Caracterización química por EDS de la zona lisa (X); c) Caracterización
química por EDS del zona rugosa de la fotografía (Y)
10µm
Element Wt% At%
OK 20.30 31.48
NaK 4.44 4.79
AlK 15.00 13.80
SiK 48.25 42.62
KK 9.17 5.82
CaK 1.37 0.85
FeK 1.46 0.65
Total 100.00 100.00
Element Wt% At%
OK 23.39 35.51
NaK 4.92 5.20
MgK 1.14 1.14
AlK 7.74 6.97
SiK 52.29 45.48
KK 2.47 1.54
CaK 4.67 2.83
FeK 3.07 1.34
Total 100.00 100.00
X
a)
Y
b) c)
10µm
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
72
Figura 25. Caracterización de la zeolita activada (geopolímero). a) Microfotografía del geopolímero; b) Caracterización química por EDS de los productos de reacción (X); c)
Caracterización química por EDS de los productos de reacción fotografía (Y).
8.5 Microanálisis
Se llevaron a cabo análisis puntuales para determinar la composición química
de los productos de reacción formados. Para cada relación de activador
seleccionado se tomaron 10 microanálisis de forma aleatoria en la matriz de
productor de reacción, se cuantificaron los elementos principales que
conforman la materia prima y los geopolímeros, estos son: Si, Al y Na. Los
resultados se presentan gráficamente en términos de relaciones Na/Al vs Na/Si
y Na/Al vs Si/Al.
En la siguiente serie de figuras se presentan análisis de las muestras
preparadas con solución de Hidróxido de Sodio 10M, curados en un tiempo y
temperatura de 28 días y 40°C para las diferentes relaciones de activador
Element Wt% At%
OK 36.69 50.59
NaK 0.66 0.63
MgK 0.27 0.25
AlK 0.88 0.72
SiK 59.37 46.64
CaK 2.13 1.17
Total 100.00 100.00
Element Wt% At%
OK 16.79 27.74
NaK 2.35 2.70
MgK 0.75 0.82
AlK 4.62 4.53
SiK 55.32 52.07
K K 2.10 1.42
CaK 11.70 7.71
FeK 6.38 3.02
Total 100.00 100.00
10µm
Y
a) b) c)
X a)
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
73
empleadas (0.4, 1.5 y 15). Los resultados se presentan gráficamente en
términos de relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b).
Microanálisis de Muestras preparadas con relación de activador de 0.4
La Figura 26 presenta los resultados para la muestra curada en un tiempo de
24 horas. Los datos de la figura 26(a) representan las relaciones Na/Al vs
Na/Si, los microanálisis presentan composición variable y los valores de la
relación Na/Al aumentan con la relación Na/Si, los datos presentan una
tendencia lineal con dispersión, obteniendo la regresión lineal, la pendiente
representa la relación Si/Al con valor igual a 10.4408 y la correlación resultante
es 0.7855.
La Figura 26(b) representa los resultados de la relación Na/Al vs Si/Al,
podemos observar que nuevamente existe una tendencia lineal con dispersión,
la pendiente en este caso representa la relación Na/Si que corresponde a la
composición de la matriz de productos de reacción, con valor de 0.6578 y una
correlación de 0.8.
Figura 26. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 0.4 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si
(a) y Na/Al vs Si/Al (b).
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0
1
2
3
4
5
6(a) Relación Si/Al 24 horas
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Na/Si
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 10.4408
Correlación: 0.7855
3 4 5 6 7 8 9
0
1
2
3
4
5(b) Relación Na/Si 24 horas
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 0.65782
Correlación: 0.8004
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
74
La Figura 27 presenta los resultados para la muestra preparada con una
relación del activador de 0.4 a un tiempo de curado de 7días. Los datos se
graficaron de la misma manera que la muestra anterior. Los valores de la
relación Na/Al aumentan con la relación Na/Si, los datos presentan una
tendencia lineal con dispersión, obteniendo la regresión lineal, la pendiente
representa la relación Si/Al (27a) con valor igual a 8.4297 y la correlación
resultante es 0.8571, en comparación con los resultados de las muestras
curadas en un período de tiempo de 24 horas, esta relación de Si/Al es menor,
por lo que se puede determinar que el tiempo de curado favorece a la
formación geopolímeros a partir de zeolita activada por álcalis.
Figura 27. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 0.4 a un tiempo de curado de 7 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si (a)
y Na/Al vs Si/Al (b).
La Figura 27(b) representa los resultados de la relación Na/Al vs Si/Al
podemos observar que nuevamente existe una tendencia lineal con dispersión,
la pendiente en este caso representa la relación Na/Si que corresponde a la
composición de la matriz de productos de reacción, con valor de 0.5023 y una
correlación de 0.8697
3 4 5 6 7 8 9 10
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5(b) Relación Na/Si 7 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 0.5023
Correlación: 0.8697
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5(a) Relación Si/Al 7 días
Rela
co
ón
Na/A
l
Relación Na/Si
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 8.4297
Correlación: 0.8571
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
75
Los datos obtenidos de los microanálisis de la matriz para la muestra curada a
14 días se presentan en la Figura 28, donde se puede observar que la
tendencia de ambas figuras es la misma a las descritas anteriormente. Para la
figura 28a el valor de la pendiente, la cual representa la relación Si/Al en la
matriz es de 8.2409, mientras que la correlación es de 0.8724, lo que indica
nuevamente que con el paso del tiempo de curado, la relación sigue
disminuyendo, provocando así una mayor disolución de Si y Al a partir de la
zeolita activada por álcalis.
Figura 28. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 0.4 a un tiempo de curado de 14 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si
(a) y Na/Al vs Si/Al (b).
Para la Figura 28b, los valores de la pendiente que representa la relación Na/Si
en la matriz y la correlación son de 0.1776 y 0.8900 respectivamente.
La Figura 29 presenta los datos obtenidos de los microanálisis de la matriz para
la muestra curada a 28 días, la tendencia de ambas figuras es la misma a las
descritas anteriormente. De la figura 29a se obtiene la relación Si/Al de los
productos de reacción con valor de 5.6965 siendo la correlación igual a 08838.
Los datos graficados en la Figura 29b, presentan una pendiente (relación Na/Si
en la matriz) de 0.3109 y una correlación de 0.9049.
5 6 7 8 9 10
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8(b) Relación Na/Si 14 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 0.1776
Correlación: 0.8900
0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8(a) Relación Si/Al 14 días
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 8.2409
Correlación: 0.8085
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Na/Si
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
76
Figura 29. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 0.4 a un tiempo de curado de 28 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si
(a) y Na/Al vs Si/Al (b).
Correlacionando los resultados podemos observar que la relación Si/Al
disminuye con el tiempo de curado, por lo que se puede determinar que a
mayor tiempo de curado, se lleva a cabo una mayor disolución de Al y Si a
partir de la zeolita bajo el ataque alcalino, por lo que, la matriz de productos de
reacción contienen mayor cantidad de gel geopolimérico, dando así mejores
propiedades de resistencia a la compresión al geopolímero sintetizado.
Microanálisis de Muestras preparadas con relación de activador de 1.5
La Figura 30 presenta los resultados para la muestra preparada con una
relación del activador de 1.5 a un tiempo de curado de 24 horas. Los datos de
la Figura 30(a) representan las relaciones Na/Al vs Na/Si, los microanálisis
presentan composición variable y los valores de la relación Na/Al aumentan
con la relación Na/Si, los datos presentan una tendencia lineal con muy poca
dispersión, obteniendo la regresión lineal, la pendiente representa la relación
Si/Al con valor igual a 11.3196 y la correlación resultante es 0.9638.
Comparando estos resultados con los vistos en la figura 26a, se observa que la
relación Si/Al aumenta con el mismo tiempo de curado, esto significa que con el
aumento de la relación activadora (SN/HN) de 0.4 a 1.5, se tiene una mayor
2 4 6 8 10 12 14
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0(b) Relación Na/Si 28 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 0.3109
Correlación: 0.9049
0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5(a) Relación Si/Al 28 días
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 5.6965
Correlación: 0.8838
Relación Na/Si
Rela
co
ón
Na/A
l
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
77
cantidad de Sílice, y es más difícil que se disuelva en el medio alcalino, sin
embargo, tomando en cuenta los resultados de resistencia a la compresión, la
relación de activador de 1.5 fue el que presentó mayores valores para casi
todos los sistemas.
La Figura 30(b) representa los resultados de la relación Na/Al vs Si/Al,
podemos observar que nuevamente existe una tendencia lineal con poca
dispersión, la pendiente en este caso representa la relación Na/Si que
corresponde a la composición de la matriz de productos de reacción, con valor
de 0.5116 y una correlación de 0.9452.
Figura 30. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 1.5 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si
(a) y Na/Al vs Si/Al (b).
La Figura 31 presenta los resultados para la muestra preparada con una
relación del activador de 1.5 a un tiempo de curado de 7días. Los microanálisis
presentan composición variable y los valores de la relación Na/Al aumentan
con la relación Na/Si, los datos presentan dispersión notable, obteniendo la
regresión lineal, la pendiente representa la relación Si/Al (31a) con valor igual a
9.6532 y la correlación resultante es 0.6719. La relación Si/Al, disminuye en
relación a las muestras curadas por 24 días, lo cual indica que el tiempo de
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0(a) Relación Si/Al 24 horas
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Na/Si
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 11.3196
Correlación: 0.9638
4 6 8 10
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0 (b)Relación Na/Si24 horas
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 0.5116
Correlación: 0.9452
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
78
curado favorece la disolución de Si y Al a partir de la zeolita bajo el ataque
alcalino.
Figura 31. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 1.5 a un tiempo de curado de 7 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si (a)
y Na/Al vs Si/Al (b).
La Figura 31(b) representa los resultados de la relación Na/Al vs Si/Al,
podemos observar que nuevamente existe una tendencia lineal con una mayor
dispersión que en las muestras anteriores, la pendiente en este caso
representa la relación Na/Si que corresponde a la composición de la matriz de
productos de reacción, con valor de 0.1035 y una correlación de 0.4648, el cual
es un valor muy pobre.
Los datos obtenidos de los microanálisis de la matriz para la muestra curada a
14 días se presentan en la Figura 32, donde se puede observar que la
tendencia de ambas figuras es la misma a las descritas anteriormente. Para la
figura 32a el valor de la pendiente, la cual representa la relación Si/Al en la
matriz es de 7.7974, mientras que la correlación es de 0.8684. Estas muestras
presenta menor dispersión, y se puede determinar que la disminución de la
relación Si/Al, contribuye a una mayor disolución de Si y Al en la matriz de
productos de reacción.
0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
(a) Relación Si/Al 7 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Na/Si
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 9.6532
Correlación: 0.6719
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6(b) Relación Na/Si 7 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 0.1035
Correlación: 0.4648
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
79
Para la Figura 32b, los valores de la pendiente que representa la relación Na/Si
en la matriz y la correlación son de 0.4066 y 0.8861, respectivamente.
Figura 32. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 1.5 a un tiempo de curado de 14 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si
(a) y Na/Al vs Si/Al (b).
La Figura 33 presenta los datos obtenidos de los microanálisis de la matriz para
la muestra curada a 28 días, la tendencia de ambas figuras es la misma a las
descritas anteriormente. De la figura 33a se obtiene la relación Si/Al de los
productos de reacción con valor de 7.6388 siendo la correlación igual a 0.9580.
Figura 33. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 1.5 a un tiempo de curado de 28 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si
(a) y Na/Al vs Si/Al (b).
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0
1
2
3
4 (a) Relación Si/Al 14 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Na/Si
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 7.7974
Correlación: 0.8684
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0 (b) Relación Na/Si 14 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 0.4066
Correlación: 0.8861
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1
1
2
3
4
5
6
7
8(a)
Relación Si/Al 28 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Na/Si
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 7.6388
Correlación: 0.9580
4 5 6 7 8 9 10
1
2
3
4
5
6
7
8(b)
Relación Na/Si 28 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 1.9679
Correlación: 0.8808
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
80
Los datos graficados en la Figura 33b, presentan una pendiente (relación Na/Si
en la matriz) de 1.9679 y una correlación de 0.8808.
Correlacionando los datos presentados en la serie de gráficas anteriores, se
puede determinar que la relación Si/Al disminuye con el tiempo de curado y
generando una mayor disolución de Si y Al en la matriz de productos de
reacción. El aumento en la relación de activador (SN/HN), aumenta la relación
Si/Al, con un mismo tiempo de curado debido a que aumenta la cantidad de
sílice presente en el sistema.
Microanálisis de Muestras preparadas con relación de activador de 15
La Figura 34 presenta los datos de la muestra preparada con solución de HN
10M y una relación de activador de 15, a un tiempo de curado de 24 horas, la
tendencia de ambas figuras es la misma a las descritas anteriormente. De la
Figura 35a se obtiene la relación Si/Al de los productos de reacción con valor
de 18.1852 siendo la correlación igual a 0.8959. Comparando estos resultados
con los vistos en la figura 26a y 30a, se observa que la relación Si/Al aumenta
con el mismo tiempo de curado, esto significa que con el aumento de la
relación activadora (SN/HN) de 0.4 a 1.5 y 15, se tiene una mayor cantidad de
Sílice, y es más difícil que se disuelva en el medio alcalino, lo cual fue evidente
en los resultados de resistencia a la compresión, en donde la relación de
activador de 15 no fue favorable en el desarrollo de esta propiedad.
Los datos graficados en la Figura 34b, presentan una pendiente (relación Na/Si
en la matriz) de 0.3198 y una correlación de 0.8586.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
81
Figura 34. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 15 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si
(a) y Na/Al vs Si/Al (b).
Los datos obtenidos de los microanálisis de la matriz para la muestra curada a
7 días se presentan en la Figura 35, De la figura 49a se obtiene la relación Si/Al
de los productos de reacción con valor de 12.7060 siendo la correlación igual a
0.8210.
Los datos graficados en la Figura 35b, presentan una pendiente (relación Na/Si
en la matriz) de 0.2866 y una correlación de 0.8636.
4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0(b) Relación Na/Si 24 horas
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 0.3198
Correlación: 0.8586
0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5 (a)Relación Si/Al 24 horas
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Na/Si
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 18.1852
Correlación: 0.8959
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
82
Figura 35. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 15 a un tiempo de curado de 7 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si (a)
y Na/Al vs Si/Al (b).
La Figura 36 presenta los resultados para la muestra preparada con una
relación del activador de 15 a un tiempo de curado de 14días. Los microanálisis
presentan composición variable, los datos presentan una tendencia lineal con
dispersión, obteniendo la regresión lineal, la pendiente representa la relación
Si/Al (36a) con valor igual a 9.1818 y la correlación resultante es 0.6866.
Figura 36. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 15 a un tiempo de curado de 14 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si
(a) y Na/Al vs Si/Al (b).
0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4(a) Relación Si/Al 7días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Na/Si
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 12.7060
Correlación: 0.8210
5 6 7 8 9 10 11
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4(b) Relación Na/Si 7días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 0.2866
Correlación: 0.8636
0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5(a) Relación Si/Al 14días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Na/Si
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 9.1808
Correlación: 0.6866
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0 (b) Relación Na/Si 14 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 0.3576
Correlación: 0.8837
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
83
La Figura 36(b) representa los resultados de la relación Na/Al vs Si/Al,
podemos observar que nuevamente existe una tendencia lineal con dispersión,
la pendiente en este caso representa la relación Na/Si que corresponde a la
composición de la matriz de productos de reacción, con valor de 0.3576 y una
correlación de 0.8837.
La Figura 37 representan la muestra con un tiempo de curado de 28 días, en la
figura 37(a) se observa que los datos presentan una tendencia lineal con poca
dispersión, obteniendo la regresión lineal, la pendiente representa la relación
Si/Al con valor igual a 7.6492 y la correlación resultante es 0.9359.
La Figura 37(b) representa los resultados de la relación Na/Al vs Si/Al. La
pendiente en este caso representa la relación Na/Si que corresponde a la
composición de la matriz de productos de reacción, con valor de 0.3596 y una
correlación de 0.8571.
Figura 37. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 15 a un tiempo de curado de 28 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si
(a) y Na/Al vs Si/Al (b).
Realizando la correlación de las gráficas anteriores, se determina que el
aumento del tiempo de curado favorece la disolución de Si y Al en la matriz de
productos de reacción, y el aumento de la relación activadora de 0.4, 1.5 y 15,
aumenta la relación Si/Al, lo que hace más difícil de disolver, sin embargo,
0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2(a) Relación Si/Al 28 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Na/Si
Relación Si/Al en la matriz
Pendiente: 7.6492
Correlación: 0.9359
3 4 5 6 7 8 9
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2(b) Relación Na/Si 28 días
Rela
ció
n N
a/A
l
Relación Si/Al
Relación Na/Si en la matriz
Pendiente: 0.3596
Correlación: 0.8571
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
84
estos resultados se han determinado bajo las mismas condiciones de solución
HN 10M y temperatura de curado de 40°C, y complementan los resultados de
resistencia a la compresión, con los cuales se determinó que la condición
óptima de relación activador (SN/HN) bajo estas condiciones de trabajo es de
1.5.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
85
CAPÍTULO IX
MECANISMO DE REACCIÓN PROPUESTO
Como se mencionó en el Capítulo 2, el mecanismo exacto por el cual la
geopolimerización y el endurecimiento ocurre no ha sido totalmente
esclarecido, basándome en los resultados obtenidos y en que la mayoría de los
mecanismos propuestos consisten en la disolución, transportación y
reprecipitación (policondensación), el mecanismo por el cual la
geopolimerización de la zeolita ocurre se propone de la siguiente manera.
Como primer paso se lleva a cabo la disolución parcial de zeolita como
resultado de la lixiviación alcalina con el hidróxido de sodio. El mecanismo de
lixiviación alcalina de zeolitas se denomina desilicación cuando se libera el
silicio de la estructura y dealuminación cuando se libera el aluminio. El proceso
de disolución en presencia de bases (NaOH, KOH, NH4OH, etc.) ha sido
revisado extensamente en el tema de generación de mesoporos en zeolitas
sintéticas y naturales35,36,37, así como en materiales geopoliméricos6,20. La
disolución de una fracción de la zeolita, en presencia de NaOH, presenta una
cinética rápida. La desilicación ocurre de manera favorable en la mayoría de las
zeolitas naturales de relaciones altas Si/Al (la concentración de Si es mucho
mayor a la del Al), en relaciones bajas la dealuminación ocurre en una
extensión definida por factores definidos por la concentración de la base y la
energía del mineral (que involucra la energía del plano cristalino y la energía de
solvatación del catión). En relación a la cantidad lixiviada se observa que existe
una mayor disolución cuando se incrementa la relación Si/Al de la zeolita. Es
necesario considerar que en el presente trabajo se emplean concentraciones
de NaOH elevadas (7, 10 y 14M de NaOH).
Xu (2000)6, Indica que, en el caso de minerales naturales como la clinoptilolita,
la disolución de Si y Al sigue una relación cercana a 0.93. Por lo tanto, Si y Al
parecen tener disolución sincronizada en solución alcalina, lo cual significa que
el Si y Al, puede disolverse de la superficie de la zeolita en forma ligada.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
86
Figura 38. Desililicación alcalina de zeolita
37
La lixiviación del aluminio, debido a la desilicación básica o ácida mediante
NaOH se muestra en el siguiente esquema, modificado de Groen, 200435.
Figura 39. Lixiviación del aluminio debido a la desilicación básica mediante NaOH.
La lixiviación de aluminio debido a la dealuminación alcalina se muestra en el
siguiente esquema, modificado de Groen, 200435.
Solución NaOH
Desilicación + Si(𝑂𝐻)4 (𝐿𝑖𝑞)
NaSiO∙(OH)3
NaOH
+
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
87
Figura 40. Lixiviación de aluminio debido a la dealuminación alcalina (Groen, 2007).
El segundo paso es la formación del precursor del geopolímero
Después de la disolución del Al y Si presentes en la zeolita se genera un
producto hidratado, para lo cual, los iones OH- que provienen de la solución
alcalina de NaOH, reaccionan con la superficie sólida del Al-Si formando
-OSi.(OH)3 y Al(OH)4-, iones de ácido divalente ortosilícico y ácido trivalente
ortosilícico respectivamente. Así mismo, los iones de Na+ se incorporan a la
red reaccionando con Al(OH)4- y -OSi(OH)3, balanceando las cargas
electrostáticas, Na+ +-SiO.(OH)3, Na+Al(OH)4-, actuando como monómeros, en
la primera etapa del proceso de geopolimerización, dando lugar a los
precursores geopoliméricos, participando en las reacciones de hidratación,
dimerización y polimerización.
Estos precursores generan un gel de aluminosilicatos, el cual se difunde hacia
el exterior, desde la superficie de la partícula en los espacios intersticiales entre
las partículas más grandes con precipitación de gel y la disolución concurrente
del nuevo sólido.
Al(OH)4
NaOH
Dealuminación
+
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
88
( ) ( )4 + +
Por último, formado el precursor geopolimérico, se genera el geopolímero
basado en la propuesta de Xu, 2000.
(( ) ( ) )
Posteriormente, cuando la fase de gel se endurece, tanto los productos de
hidratación, como las partículas de zeolita sin reaccionar permanecen unidas
por el gel formado, el cual actúa como aglutinante, confiriéndole la dureza
observada al material resultante.
El geopolímero posee una estructura amorfa, por lo que los análisis de DRX no
detectan el incremento de las fases, su síntesis requiere de condiciones
hidrotermales similares a las existentes en la síntesis de zeolitas.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
89
CAPÍTULO X
RESISTENCIA A SULFATOS
Adicional al trabajo realizado en esta investigación, se realizó un estudio a los
geopolímeros sintetizados con mejores resultados de resistencia a la
compresión, el cual consiste, en determinar la durabilidad de éstos en un
ambiente de sulfatos, Dos tipos de sulfatos fueron utilizados para determinar la
resistencia de la zeolita natural con ataque de sulfatos. Las pruebas se
efectuaron mediante la inmersión de cubos (5x5x5cms) en soluciones de 5%
de sulfato de sodio y 5% de sulfato de magnesio. Los parámetros a evaluar
fueron la resistencia mecánica a la compresión y cambios microestructurales.
9.1 Metodología Experimental
9.1.1 Preparación de las soluciones de sulfato
La preparación de las soluciones de sulfato se realizó mediante la Norma
ASTM C 1012-95ª[38].Las soluciones de sulfato contienen 352 moles de Na2SO4
por m3 (50g/L). De igual manera, las muestras fueron expuestas en soluciones
de MgSO4, preparadas bajo las mismas condiciones. Los materiales químicos
utilizados fueron de grado técnico con alta pureza. Cada litro de solución de
sulfatos preparados contienen 50g de Na2SO4/MgSO4 disueltos en 900 mL de
agua, y diluidos con agua destilada para obtener 1.0 L de solución.
9.1.2 Preparación de muestras para el ataque con sulfatos
Los cubos fueron curados a 40°C por un período de tiempo de 28días, una vez
que alcanzarán una resistencia de 20 MPa. Éstos serían expuestos a las
soluciones de sulfato para determinar su resistencia en este tipo de ambiente
por un período de tiempo de 1, 7, 14, 28 y 180 días. Una vez fracturado el
cubo, los trozos se prepararon para detener su reactividad mediante el
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
90
tratamiento con acetona por 20 minutos39, posteriormente se guardó en bolsa
con cierre hermético.
9.1.3 Caracterización de geopolímeros en ambiente de sulfatos
La caracterización del material en ambiente de sulfatos se efectuó mediante
difracción de rayos X (DRX) y FTIR. La preparación de las muestras para DRX
y FTIR involucró a un tamaño de partícula menor a 100 m, El concreto fue
preparado empleando CP comercial y arena estándar de acuerdo a las
características definidas por las Normas ASTM C778-00 y ASTM C150-05[40,41]
y siguiendo el procedimiento descrito en la Norma ASTM C109/C109M-0542 y al
igual que la zeolita activada por álcalis se llevó a cabo la prueba en inmersión
de sulfatos.
La reducción de la resistencia a la compresión se calculó mediante la siguiente
ecuación:
Ec. 5
Reducción de la Resistencia %100*
A
BA
En donde A es el promedio de la resistencia a la compresión de 3 cubos
curados a temperatura y tiempo de curado de 40°C y 28días y B es el promedio
de la resistencia a la compresión de 3 cubos después de la inmersión de la
soluciones de 5% de los diferentes sulfatos utilizados.
9.2 Resultados y discusión
El material sintetizado a una temperatura de curado de 40°C a partir de la
relación de activador de 1.5 presenta los valores de resistencia a la compresión
más altos (38.2 MPa), siendo mayores hasta en un 30% que los presentados
por el cemento Portland (29.05MPa). El incremento en la relación activador
(incremento en SN) favorece la resistencia mecánica debido a que ocurre la
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
91
reacción de geopolimerización contribuyendo a la formación de gel,
incrementando las propiedades mecánicas.
9.2.1 Reducción en la resistencia a la compresión
La evolución de resistencia a la compresión de los especímenes expuestos a la
solución de sulfato de sodio y sulfato de magnesio se muestra en la figura 41 y
42, respectivamente. La reducción de la resistencia a la compresión se
observa tanto para el geopolímero natural como para el CP, siendo mayor para
éste último en ambos ambientes. Por ejemplo, después de los 6 meses de
inmersión en soluciones de sulfatos, la reducción de resistencia a la
compresión para el CP fue de 31% en solución de sulfato de sodio y 39% en
sulfato de magnesio, mientras que para el geopolímero natural fue de 21% y
26% respectivamente Ver Tabla 29 y 30. Para ambos materiales la reducción
de la resistencia a la compresión fue mayor en la solución de sulfato de
magnesio que en la solución de sulfato de sodio, siendo más significativa en
ambas soluciones para el CP.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
92
0 días 1 días 7 dias 14 días 28 días 60 días 90 días 180 días
29.05 29.03 28.83 28.18 25.85 24.71 23.24 19.90
38.20 38.20 38.05 37.26 35.30 33.22 32.09 30.16
Cemento Portland Ordinario (CPO)
Zeolita Natural Activada
Reducción de la resistencia mecánica en ambiente de Na2SO4 (Mpa)
0 días 1 días 7 dias 14 días 28 días 60 días 90 días 180 días
29.05 29.02 28.18 26.44 24.99 23.39 22.37 17.45
38.20 38.20 37.28 36.29 34.38 32.47 31.32 28.24
Cemento Portland Ordinario (CPO)
Zeolita Natural Activada
Reducción de la resistencia mecánica en ambiente de Na2SO4 (Mpa)
Tabla 29. Reducción de la resistencia a la compresión del CP y Zeolita natural ante un ambiente de Na2SO4.
Tabla 30. Reducción de la resistencia a la compresión del CP y Zeolita natural ante un ambiente de MgSO4.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
93
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40R
esis
tencia
a la C
om
pre
sió
n (
MP
a)
Tiempo (Días)
Zeolita Na2SO
4
Cemento Na2SO
4
Figura 41. Evolución de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP, inmerso en una
solución al 5% de Na2SO4.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
Resis
tencia
a la C
om
pre
sió
n (
MP
a)
Tiempo (Días)
Zeolita MgSO4
Cemento MgSO4
Figura 42. Evolución de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP, inmerso en una solución al 5% de MgSO4.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
94
El porcentaje de reducción de la resistencia a la compresión para ambos
materiales se muestra en las figuras 43 y 44. En los primeros 30 días de
exposición en las soluciones de sulfatos la reducción de la resistencia era
similar para ambas muestras, sin embargo a partir de este tiempo, la reducción
de la resistencia del CP era más que la del geopolímero natural.
Figura 43. Reducción de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP sujeto a ataque de sulfatos inmerso en una solución al 5% de Na2SO4.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
5
10
15
20
25
30
35
Reducció
n d
e R
esis
tencia
(%
)
Tiempo (Días)
Zeolita Na2SO
4
Cemento Na2SO
4
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
95
0 20 40 60 80 100 120
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Zeolita MgSO4
Cemento MgSO4
Reducció
n d
e R
esis
tencia
(%
)
Tiempo (Días)
Figura 44. Reducción de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP sujeto a ataque
de sulfatos inmerso en una solución al 5% de MgSO4.
El ataque de sulfato sobre el CP es caracterizado por la reacción química de
iones de sulfato como la sustancia agresiva y el componente aluminato de la
pasta de cemento endurecida43,44. La reacción entre estas sustancias, si
bastante agua está presente, produce etringita y yeso y causa la expansión en
CP generando grietas. Al mismo tiempo que el ataque de sulfato, el ataque de
iones de magnesio y, a un grado menor, los iones de sodio sobre C-S-H
comienza cuando CH es agotado14,45,46. Este ataque conduce a la precipitación
de yeso y la descalcificación C-S-H. La descalcificación de C-S-H destruye la
capacidad de unión del C-S-H y conduce a una pérdida de adherencia y
resistencia en el CP.
Estudios anteriores de ataque de sulfatos a CP muestran que las reacciones
implican C-S-H y el componente aluminato de la pasta de cemento endurecida
15,44. Como resultado de estas reacciones expansión y grietas son causados
directa o indirectamente, por la formación de etringita y yeso, mientras el
ablandamiento y la desintegración son causados por la destrucción de C-S-H.
La deterioración en el caso del ataque con sulfato de magnesio es más severa
que el ataque con sulfato de sodio. Por lo cual consideramos importante
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
96
estudiar la durabilidad de nuestro geopolímero formado en soluciones sulfato
de sodio y sulfato de magnesio.
De acuerdo con los resultados obtenidos por Taylor y Gollop14 y Gollop y
Taylor47, quienes concluyeron que la formación de etringita era el principal
mecanismo de deterioro en pastas de CP a las en C3A o mezclas con una
pequeña cantidad de escoria. Estos investigadores también observaron que la
formación de etringita en CP fue mínima con CP resistentes al ataque de
sulfatos debido al bajo contenido de C3A14,44. Del mismo modo, la formación de
etringita es baja con mezclas altas en escoria, debido a que la escoria es rica
en aluminio el cual no está en la forma disponible para reaccionar14.
9.2.2 Difracción de Rayos-X
Los análisis de XRD (ver figura 45) de las muestras de CP y el geopolímero
formado muestran diferentes productos de reacción. Después de 6 meses de
exposición en las soluciones de sulfato de sodio, las muestras de Zeolita
natural muestran una disminución en todas las fases presentes con respecto a
las muestras expuestas a soluciones de sulfato de magnesio. Por otra parte,
tanto para muestras expuestas a Na2SO4 y MgSO4 no se observa la presencia
de etringita o yeso, mientras que en muestras de CP expuestas a solución
MgSO4 se observa la presencia de etringita.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
97
Figura 45. Espectros de DRX del geopolímero formado y CP inmersos durante 6 meses en soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4. E-Etringita, C-Clinoptilolita, Ca-Calcita, S-Sílica,
H-Heulandita.
Los resultados de DRX se correlacionan con las observaciones visuales. Tanto
el geopolímero natural como el CP no presentan deterioro durante la
exposición a las soluciones de sulfato de sodio, y en el análisis de DRX no se
encontraron etringita y yeso presentes. Las muestras de CP expuestas a
soluciones de MgSO4 presentaron grietas pequeñas en la superficie y
presentaban expansión y a partir de los resultados de DRX encontramos la
presencia de etringita.
9.3.3 Espectroscopia por Infrarrojo (IR)
En la figura 46 se observan los espectros de las muestras que estuvieron
inmersas en soluciones de 5% de sulfato de sodio y 5% de sulfato de magnesio
durante un periodo de 180 días tomando como referencia la muestra de
geopolímero formado activada con solución HN 10M, relación del activador 1.5
a una temperatura y tiempo de curado de 40°C y 28días.
0 10 20 30 40 50 60 70
-10000
0
10000
20000
30000
40000
50000E : Ettringita
C : Clinoptilolita
Ca: Calcita
S : Silicon
H : Heulandita
C-S-H:Silicato de Calcio Hidratado
CaCCCHHC
C
C-S-H
Geopolymero Na2SO
4
E
C
C
C
Ca
C
S
SS
S
S
CC
C
C
C
C
C-S-H
C
C
C
Ca Ca
Ca
Ca Ca
Ca
C
CC
CH
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
CC
C
Cemento MgSO4
Cemento Na2SO
4
Geopolymero MgSO4
Zeolita Natural
inte
nsid
ad
(cp
s)
2
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
98
Figura 46. Espectros de FTIR del geopolímero formado y CP inmersos durante 6 meses en soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4.
De una manera más detallada en la figura 47 se observan estos mismos
espectros en los que podemos ver que las diferencia que se generaron a partir
de la inmersión en soluciones de sulfatos. Entre las muestras de geopolímero
inmersas en ambas soluciones no se encuentras diferencias entre sí, sin
embargo comparándolas con la geopolímero no atacado las diferencias son
notorias, se observa un cambio en la intensidad de la banda encontrada
aproximadamente a 3100 cm-1 y 3700 cm-1 correspondiente a vibraciones tipo –
OH (H enlazado), así como en la región comprendida entre 2910-2840 cm-1 y
1640 cm-1 asignadas a vibraciones H-O-H. Éstas bandas están ligadas a la
presencia de enlaces débiles de moléculas de H2O que se absorben en la
superficie o que están atrapadas en las cavidades de la estructura
geopolimérica, indicando humedad en el sistemas con respecto a la zeolita
activada, de igual manera se observan cambio en las vibraciones a 1450 cm-1,
la cual corresponde a vibraciones por la presencia de de Na2CO3, la presencia
4000 3000 2000 1000 0
50
100
150
200
250
300
350
400
Zeolita s/Activar
Cemento Na2SO
4
Cemento MgSO4
Zeolita MgSO4
Zeolita Na2SO
4
Longitud de Onda (cm-1)
Tra
nsm
itan
cia
(u
.a)
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
99
de esta banda puede ser debida a la solución activadora ya que ésta aporta
iones Na+ y OH-, los OH- disuelven las especies de Zeolita y el Na+ interactúa
en la formación de la red geopolimérica compensando las cargas de Al en
coordinación tetraédrica[5].
4000 3000 2000 1000 0
0
50
100 Zeolita Natural
Cemento Na2SO
4
Cemento MgSO4
Geopolymero MgSO4
Geopolymero Na2SO
4
Longitud de onda (cm-1)
Tra
nsm
itan
cia
(u
.a)
Figura 47. Espectros de FTIR con aumento, del geopolímero formado y CP inmersos durante 6 meses en soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4.
En las bandas localizadas en longitudes de onda menores, 600-500 cm-1, no se
observan cambios significativos entres las intensidades de las bandas, éstas
bandas corresponden a tensión simétrica Al-O-Si, las cuales están
relacionadas con la formación de geopolímeros.
Analizando el CP, se observan los mismos cambios que en el geopolímero
natural, sin embargo éstos son más significativos y a diferencia de las pruebas
de geopolímero no atacado, éste material si presenta diferencias entre la
inmersión en diferentes tipos de sulfatos teniendo mayores cambios el CP
inmerso en soluciones de sulfato de magnesio.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
100
CAPÍTULO XI
CONCLUSIONES
En base al análisis de resultados se establecen las siguientes conclusiones:
El análisis de resultados indica que la resistencia a la compresión de la zeolita
tratada mediante solución de hidróxido de sodio y silicato de sodio se
incrementa a valores similares, e incluso mayores al del Cemento Portland
comercial. El material sintetizado a una temperatura de curado de 40°C a partir
de la relación de activador de 1.5 con solución de HN 10M, presenta los valores
de resistencia a la compresión más altos (38.2 MPa), siendo mayores hasta en
un 30% que los presentados por el cemento Portland (29.05MPa), por lo que
los resultados revelan una posibilidad real de emplear a la zeolita activada con
solución alcalina “geopolímeros” como un material de reemplazo de cemento
Portland.
De manera general se observa que los geopolímeros sintetizados presentan un
incremento muy importante en la resistencia a la compresión en la primera
semana de curado, presentándose la resistencia más baja en las pruebas
efectuadas a temperatura ambiente. El periodo de curado de las pruebas a
temperatura ambiente favorece la resistencia del geopolímero, tal como lo
demuestran los valores de compresión de las pruebas a 90 días. El material
sintetizado a una temperatura de curado de 40°C presenta los valores de
resistencia a la compresión más altos, siendo incluso mayores a los
presentados por el cemento portland. A temperaturas mayores (60°C y 80°C) la
resistencia a la compresión se ve favorecida en periodos cortos de curado,
estabilizándose en periodos largos (90 días). La dependencia mostrada entre la
resistencia a la compresión y la temperatura indica que la materia prima
necesita de la activación térmica para obtener un geopolímero con buena
propiedad de resistencia a la compresión, al menos hasta los 90 días de curado
Al comparar los resultados obtenidos para cada relación de activador con el
Cemento Portland, se puede ver que el incremento de la relación activador
favorece la resistencia a la compresión, obteniéndose valores de compresión
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
101
mayores a los del cemento, hasta llegar a la relación de 15, donde se presentó
un descenso en la resistencia. Cabe señalar que, la serie de muestras
obtenidas a 40°C, a partir de la relación activador de 1.5, los geopolímeros
mostraron una resistencia a la compresión 11% mayor a la presentada por el
cemento portland, en un periodo de curado de 90 días. Para la relación
activador baja (0.4), las mayores resistencias fueron obtenidas con curados a
temperaturas altas, entre 60 y 80ºC. El incremento en la relación activador
(incremento en SN) favorece la resistencia mecánica debido a que ocurre la
reacción de geopolimerización, contribuyendo a la formación de gel,
incrementando las propiedades mecánicas.
La resistencia a la compresión se afecta para una relación de activador alta
(15), en periodos de curado largos. La caída de la resistencia a la compresión
con el incremento del SN se presenta debido a la inhibición de la reacción de
geopolimerización, por la precipitación de fases de Al-Si que evitan el contacto
del material reaccionante con la solución activadora.
El mecanismo de geopolimerización propuesto involucra la disolución parcial de
la zeolita como resultado de la lixiviación alcalina con el NaOH, llamado
desilicación, cuando se libera silicio de la estructura y dealuminación cuando se
libera aluminio. En relación a la cantidad lixiviada, se observa que existe una
mayor disolución cuando se incrementa la relación Si/Al de la zeolita. Después
de la disolución del Al y Si, los iones OH- provenientes de la solución de NAOH,
reaccionan con la superficie sólida de Al-Si formando -OSi.(OH)3 y Al(OH)4-, los
cuales a su vez al reaccionar con los iones de Na+ y balancear las cargas
electrostáticas actúan como monómeros en la primera etapa de
geopolimerización, dando lugar a los precursores geopoliméricos, generando
una gel de aluminosilicato, Finalmente, cuando la fase de gel se endurece,
tanto los productos de hidratación, como las partículas de zeolita sin reaccionar
permanecen unidas por el gel formado, el cual actúa como aglutinante,
confiriéndole la dureza observada al material resultante.
Las muestras expuestas a solución de sulfato de sodio visualmente no
presentaron señas de agrietamiento, sin embargo, expuestas en solución de
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
102
sulfato de magnesio las muestras de CP presentaron expansión y grietas en la
superficie, mientras que las muestras de geopolímero natural no presentaron
expansión. Después de seis meses de exposición en soluciones de sulfatos la
reducción de la resistencia fue incluso menor para el geopolímero natural que
para el CP, en soluciones de sulfatos la resistencia decreció alrededor de 21%
para el geopolímero y 31%para el CP en ambiente de sulfato de sodio, y la
reducción en resistencia en un ambiente de solución de sulfato de magnesio
fue de 26% para el geopolímero y 39% para el CP.
Los resultados de DRX se correlacionan con las observaciones visuales. Tanto
el geopolímero natural como el CP no presentan deterioro durante la
exposición a las soluciones de sulfato de sodio, y en el análisis de DRX no se
encontraron etringita y yeso presentes. Las muestras de CP expuestas a
soluciones de MgSO4 presentaron grietas pequeñas en la superficie y
presentaban expansión y a partir de los resultados de DRX encontramos la
presencia de etringita.
Es posible que los mecanismos de deterioro por ataque de sulfatos en pastas
de geopolímero natural y pastas de CP sean diferentes, debido a la diferencia
en composición de estos cementantes.
SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES
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REFERENCIAS
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