Geopolímeros sintetizados a partir de distintos materiales residuales. Activación alcalina de cenizas de cascarilla de arroz

[1] Equa ion Chap e 1 Sec ion 1 T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía en Tecnologías Indus iales Geopolíme os sin e izados a pa i de dis in os ma e iales esiduales. Ac i ación alcalina de cenizas de casca illa de a oz. Au o : Ál a o Villamo Lo a Tu o : Cons an ino Fe nández Pe ei a Yolanda Luna Galiano Depa amen o de Ingenie ía Química y Ambien al Uni e sidad de Se illa Se illa, 2016 [2] [3] T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía en Tecnologías Indus iales Geopolíme os sin e izados a pa i de dis in os ma e iales esiduales. Ac i ación alcalina de cenizas de casca illa de a oz. Au o : Ál a o Villamo Lo a Tu o : Cons an ino Fe nández Pe ei a Yolanda Luna Galiano Depa amen o de Ingenie ía Química y Ambien al Uni e sidad de Se illa Se illa, 2016 [4] [5] T abajo Fin de G ado: Geopolíme os sin e izados a pa i de dis in os ma e iales esiduales. Ac i ación alcalina de cenizas de casca illa de a oz. Au o : Ál a o Villamo Lo a Tu o : Cons an ino Pe ei a Yolanda Luna Galiano El ibunal nomb ado pa a juzga el P oyec o a iba indicado, compues o po los siguien es miemb os: P esiden e: Vocales: Sec e a io: Acue dan o o ga le la cali icación de: Se illa, 2016 El Sec e a io del T ibunal [6] A mi amilia A mis maes os [7] Ag adecimien os: Cada ez que acaba una e apa impo an e en la ida, se debe mi a hacia a ás y e lexiona sob e ella, sus luces y sus somb as, con más impo ancia aho a que con 24 años, comienza una e apa desconocida, pe o pa a la que me sien o p epa ado. Doy g acias a mis pad es po su amo , po mi educación y o mación, po hace me en ende las cosas impo an es y po no da nada po hecho, po es o za se día a día, a que me con ie a en un buen homb e. G acias a mis he manos Ja ie y Ra ael po sus buenos consejos y po es a ahí siemp e pa a apoya me cuando pe día la e o la mo i ación, g acias po sus llamadas, que, aunque haga 8 años que no i amos jun os, no pe damos el con ac o. Que la ida nos uel a a pone en ce canía y si no lo hace, que lo hagamos noso os. G acias a mis 3 amigos, los he manos que no u e pe o que elegí, Jo ge, Ped o y Jaime, g acias po hace me c ece , po deci me cuando me equi oco y po pasa los momen os más di e idos que siemp e eco da é y que es án po eni . G acias a mis p o eso es, en especial a mi amigo Don Miguel Fe nández de los Ronde os, g acias po enseña me mucho más que dos idiomas. Y, po úl imo, g acias a Dios, g acias po la ida que me ha ocado i i . E e namen e g acias [8] [9] Índice: Capí ulo 1: INTRODUCCION 12 1.1 In oducción 13 1.2 Obje i o 15 1.3 Es uc u a del T abajo de Fin de G ado 16 Capí ulo 2: FUNDAMENTOS TEÓRICOS 17 2.1 Cemen o Po land 18 2.1.1 In oducción 18 2.1.2 P oducción, ipos y con aminación 18 P oducción 18 Tipos 23 Impac o Ambien al asociado a la p oducción del cemen o. Con aminación 24 2.1.3 El cemen o en España y en el mundo 26 2.2 Geopolíme os 28 2.2.1 In oducción 28 2.2.2 Geopolime ización 30 2.2.3 Recu sos ma e iales pa a la o mación de geopolíme os 32 Sólidos his ó icamen e u ilizados como p ecu so es 32 Soluciones ac i ado as: Hid óxidos, Adición de Silicio Soluble 33 O as a iables debidas al ma e ial 35 2.3 Residuos de pa ida 36 2.3.1 Cenizas olan es 36 Clasi icación 36 Mine alogía 38 Es ado ac ual 39 [16] 1.3 ESTRUCTURA DEL TRABAJO DE FIN DE GRADO El p esen e abajo se di ide en cinco capí ulos, el p ime o es una in oducción jun o con la de inición de los obje i os. En el segundo se comenza á explicando en p o undidad odo lo elacionado con los cemen os; ma e ias p imas, p oducción, u ilización, despe dicios, eciclaje, e c.; más adelan e se p esen a án los geopolíme os de una o ma de allada, jun o a los di e en es ma e iales que se suelen u iliza pa a su p oducción (cenizas olan es de cen ales é micas, ceniza de casca illa de a oz, pa al,…), jun o a la base cien í ica de los expe imen os (ensayos de comp esión, po osidad y du eza) a los que se some e án los políme os esul an es. En el e ce capí ulo se de alla á el p ocedimien o expe imen al, dejando el cua o capí ulo pa a los esul ados y la discusión de los mismos. Po úl imo, el quin o capí ulo se á donde se expongan las conclusiones del p esen e abajo. [17] CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS [18] 2.1 CEMENTO PORTLAND 2.1.1 In oducción An es de desa olla el obje o del p oyec o: la p oducción de geopolíme os a pa i de esiduos indus iales que sus i uyan al cemen o, es necesa io explica b e emen e la p oducción del ma e ial que se p e ende sus i ui y los p incipales p oblemas medioambien ales del mismo. El desa ollo his ó ico de los mo e os y cemen os, se de alla en la siguien e abla: Au o Año Episodio Signi icado An iguo Egip o ~ 2686 - 2181 a.C. Su gen en el An iguo Egip o mezclas de a ena con ma e ia cemen osa pa a uni bloques de pied a4 Se conside a a los egipcios los c eado es del "cemen o p imi i o" Mundo Clásico ~ IV a. C - V d. C. Se añade la mezcla an e io con calizas y ma e iales de depósi os olcánicos5 Se mejo a la mezcla que pasa a sopo a la acción del agua de ma Ingla e a 1220 Cons ucción de la ca ed al de Salisbu y6 Una de las exiguas u ilizaciones del cemen o omano, abandonado du an e la Edad Media John Smea on 1758 Se u iliza una mezcla de puzolanas, calizas y a cilla pa a econs ucción del a o de Eddys one7 Se mejo a el cemen o omano, y se da paso al cemen o ac ual Vica y Le Cha elie 1818 Publicación de " In es igaciones expe imen ales " y " Mo e os y cemen os calcá eos "8 Es os a ados no malizan la p oducción de cemen o, median e calizas y a cillas, de allando los mé odos. James Pa ke y Joseph Aspdin 1824 James Pa ke y Joseph Aspdin pa en an el cemen o Po land Se ex iende la ab icación po odo occiden e Tabla 1 Resumen de la his o ia del cemen o 2.1.2 P oducción, Tipos y Con aminación La con aminación del cemen o se debe a la p oducción del clínke . Dicho clínke se encuen a en odos los ipos de cemen o, pues es su componen e undamen al. Los di e en es ipos de cemen os se p oducen a iando las composiciones del o iginal, el Cemen o Po land O dina io (CPO). A con inuación, se desc ibi á la p oducción del CPO ya que es el que se p oduce en mayo can idad. Después se p esen a á un esumen de los di e en es ipos, y, po úl imo, la con aminación gene ada en cada una de las e apas del p oceso. P oducción: La p oducción cons a de las siguien es e apas: o Ex acción de ma e ias p imas o P epa ación de las ma e ias p imas o Cocción en ho no o a i o o T a amien o inal Al menos el 90% del peso del cemen o inal, es á con o mado po el clínke , po lo que no es ex año, que la selección de las ma e ias p imas se base undamen almen e en él. La [19] g an mayo ía de los cemen os ienen en mayo o meno medida los mismos componen es p oceden es del clínke . Las di e encias en composición en e los dis in os ipos de cemen os son mínimas. Los componen es an es y después de añadi el yeso co espondien e se mues an en la siguien e abla9: Composición (% peso) Componen e Clínke Clínke + Yeso Silica o icálcico 40 - 60 50 Silica o bicálcico 20 - 30 24 Alumina o icálcico 7 - 14 11 Fe oalumina o e acálcico 5 - 12 8 Tabla 2 Composición del cemen o  Ex acción de ma e ias p imas: La ob ención de los silica os es undamen al ya que es os ep esen an en e un 60% y un 90% de la mezcla del clínke . Los silica os de calcio an es mencionados no p oceden de las ma e ias p imas di ec amen e, si no que se ob ienen a pa i de la eacción de los óxidos de calcio en el ho no o a o io. Los óxidos de calcio son p opo cionados po el ca bona o, que p ocede de las ma e ias p imas, undamen almen e de ocas calizas o ma gas. En la supe icie de las can e as las ocas calizas son icas en hie o, sílice y óxido de aluminio, mien as que las que se encuen an a mayo p o undidad son más pu as, eniendo mayo can idad de ca bona o de calcio y menos de los an e io es mine ales. Aunque a p io i pudie a pa ece que solo in e esa u iliza es a úl ima, se mezclan las dos pa a consegui di e en es ipos de cemen os, aunque pa a el caso del CPO sea mejo la segunda. Además, son necesa ios óxidos que ac úan como unden es, que ayuden a la o mación de ase líquida en el ho no pa a con ibui a las apa iciones de las eacciones necesa ias. Es os óxidos son apo ados po a cillas o piza as10. Los ma e iales an e io men e mencionados son los undamen ales en la mezcla del clínke , y los dos p oceden de can e as. El ma e ial es ob enido median e pe o ación y oladu a. En es e p ime paso, en el cual solo hemos ob enido la ma e ia p ima, ya apa ece un hecho impo an e elacionado con la con aminación como puede se la c eación de can e as, con el impac o ambien al que ello signi ica. Es e aspec o se á a ado más adelan e11. [20]  P epa ación de las ma e ias p imas: En es e paso se p e ende consegui dos aspec os undamen ales: sólidos de un amaño adecuado y una mezcla homogénea. T as la llegada de la ma e ia p ima p oceden e de la can e a, és a pasa a se i u ada una p ime a ez con el in de ob ene pa ículas de 3,5 cen íme os de adio ap oximadamen e. Además, se debe asegu a que se alimen a el ho no con una mezcla homogénea. La mezcla se sigue moliendo a lo la go del p oceso con el in de ob ene una mezcla lo más ina posible, especialmen e al inal, esul ando una mezcla llamada c udo. Pa a consegui dicha homogeneidad, se puede hace en gene al, de dos o mas di e en es: - Po ía húmeda, la mezcla ob enida se en ía a balsas de homogeneización. De es as balsas sale una pas a que iene en e un 30-40% de humedad, los ho nos alimen ados po ía húmeda deben ene una zona donde se p oduzca la deshid a ación, po lo que es necesa io un mayo gas o de ene gía12. Ven ajas de es e p oceso13: · La alimen ación se p oduce de mane a más uni o me que median e o as ías. · La humedad disminuye la libe ación y dispe sión del pol o, con las pé didas que es o conlle a. · No es necesa io p ecalen a la mezcla a la en ada del ho no, como hay que hace en la ía seca, con el consumo ene gé ico que ello aca ea. No obs an e, hay una pé dida ene gé ica al ene que deshid a a la mezcla a la en ada del ho no, la u ilización de agua en es e p oceso uel e a desencadena un p oblema de con aminación, ya que dicha agua debe á se a ada. - Po ía seca; es o se puede hace de 2 o mas di e en es: median e co ien es de ai e o mezclando en zonas adecuadas, u ilizando maquina ia. En es e caso la humedad es in e io al 1% al inicio. P e iamen e a se calcinada en el ho no, la mezcla debe se p ecalen ada en los sis emas de alimen ación al ho no. Ven aja de es e p oceso: · Al no añadi agua, el con ol químico es más e icien e, además, se necesi a menos ene gía, al no necesi a la deshid a ación de la ía húmeda. [21] En con apa ida, la gene ación de pol o y sus pé didas son impo an es. Realmen e hay más o mas de alimen a el ho no: semihúmeda, semiseca…, pe o no se de alla án pues son combinaciones de los 2 p ocesos an e io es. Lo que sí es ele an e es el gas o ene gé ico inal de cada una de ellas, de alladas en la siguien e abla13: Tipología del p oceso Consumo especí ico (kcal/kg de Clínke ) Húmeda 1250 - 1400 Semihúmeda 1100 Vía Semiseca 920 Vía Seca 800 Tabla 3 Gas os ene gé icos según p oceso  Cocción en ho no o a o io: Es a es la ope ación en la cual se ans o man unas ma e ias p imas, que han sido p e iamen e a adas, en clínke . A una empe a u a de 1500ºC se p oduci án las di e en es eacciones necesa ias pa a gene a : Silica o icálcico, Silica o bicálcico, Alumina o icálcico y Fe oalumina o e acálcico9. Las di e en es eacciones que se lle an a cabo, los cambios de empe a u a y de es uc u a que su e el ma e ial escapan al obje o del p esen e p oyec o. De odos modos, hay que esal a la eacción más impo an e: la o mación de silica o icálcico a pa i de silica o bicálcico y cal: 𝐶2𝑆 + 𝐶𝑎𝑂 → 𝐶3𝑆 Pa a log a dicha eacción química, se p oducen di e en es cambios de ases y o as eacciones. Pa a que el ho no llegue incluso a supe a los 1500ºC es necesa io quema mucho combus ible, con la consecuen e gene ación de CO2 debido a la combus ión. Además, la eacción de cocción gene a ambién CO2, el cual supone el 60% de odo el CO2 gene ado en la ab icación del clínke . [22] En la siguien e imagen se pueden ap ecia los di e en es cambios de empe a u a y ase que se suceden a lo la go del ho no, pues man iene una empe a u a es aciona ia, pe o és a a ía a lo la go del ho no12.  T a amien o inal: Del ho no o a o io sale el p incipal componen e del cemen o Po land, el clínke , que como se expuso an e io men e o ma el 90% o más del peso del cemen o. El clínke se pasa po unos en iado es que bajan su empe a u a has a los 60ºC, es o es undamen al que se haga ápido pa a asegu a su calidad14. Después el clínke se mezcla y es molido jun o con yeso (en e un 2% y un 8% del cemen o inal ap oximadamen e) en un molino de bolas, ob eniéndose de es a mane a la mezcla que conocemos con el nomb e de cemen o15. Ilus ación 1 Cambios de empe a u a y ase en ho no o a o io [23] Tipos: En la ac ualidad exis en a ios ipos de cemen o, según la necesidad que deban cub i , dichos ipos apa ecen esumido en la siguien e abla11-12-15: Tipo Desc ipción Usos Cemen o Po land Fo mado a pa i de la adicción de yeso al clínke , as su mezcla con agua se endu e en pocas ho as, aumen ando su esis encia después de a ias semanas Es el más u ilizado pa a hace ho migón Cemen o Po land é ico Se ob iene añadiendo a la mezcla o iginal cenizas de pi i a u o os mine ales icos en hie o, es el cemen o con la hid a ación que más calo desp ende po la mayo p esencia de Fe2O3 y la meno de CaOAl2O3 Se u iliza en climas cálidos Cemen o Blanco De colo g isáceo ienen el mayo módulo de unden es, de alo 10, des acando po posee g an esis encia desde el p incipio. Es ex emadamen e du o. Se u iliza pa a acabados inos Cemen o Puzolánico De g an pa ecido al an iguo cemen o omano, iene la meno can idad de cal, al combina se es á con la puzolana Se u iliza en medios de aguas ag esi as, climas calu osos o en elemen os que equie en g an impe meabilidad y du abilidad Cemen o Side ú gico Se ob iene sus i uyendo la puzolana po cenizas de cen ales e moeléc icas, undiciones, e cé e a. Tiene g an esis encia, pe o su e co osión a mos é ica Tabla 4 Tipos de cemen os Po úl imo, menciona que hay o os ipos de cemen os como el cemen o de aguado ápido o Cemen o Romano, el cual se u iliza en ob as meno es no siendo u ilizado en g andes ob as. Llega a agua a los 20 minu os, lo que lo hace muy ú il pa a si uaciones que equie an ápidas epa aciones. También es á el cemen o aluminoso, que o ja ambién ápidamen e pe o que con el iempo pie de p opiedades y se e osiona, el calo y la humedad hacen que es e p oceso llamado con e sión se acele e. El ho migón con es e cemen o aumen a de amaño con el iempo y dejan al ai e las a madu as, que se co oen al es a sin p o ección. [24] Impac o Ambien al asociado a la p oducción del cemen o. Con aminación Es e es sin duda el pun o p incipal po el que se ealiza es e p oyec o. En la ase inicial la ex acción de ma e iales equie e la c eación de can e as, con la consecuen e des ucción del medio ambien e. Hay que añadi ambién la con aminación de aguas, el daño al subsuelo, el uso de explosi os…e c. Se ha hablado de las ma e ias p imas y de cómo se ob ienen, sin emba go, no se ha mencionado nada espec o al eciclado. Al con a io que en su p oducción, as su u ilización el cemen o no c ea g andes p oblemas, ya que es ácilmen e eciclable. An e io men e, an e la demolición de edi icios o ca e e as, los escomb os (o Residuos de Cons ucción y Demolición, RCyD) e an deposi ados en e ede os. Ac ualmen e se in en a siemp e que el en ío al e ede o sea la úl ima opción, po ello se han es ablecido di e en es o mas pa a ecicla el cemen o y sus p oduc os, siendo la c eación de ga iones, g a illa o bloques los más habi uales. En odos los casos, el p oceso es p ác icamen e simila 16: - Se limpia el RCyD de cualquie con aminan e: papel, made a y o as basu as. Si iene me ales de o jado, se sepa an median e elec oimanes. - Se sepa an las piezas de cemen o po amaño. Las más g andes se muelen una p ime a ez, luego se u iliza un segundo molino pa a odas. Algunos molinos ienen capacidad pa a a a 600 oneladas po ho a, po lo que la p oduc i idad del p oceso es á ga an izada. Pese a que su eciclaje es e ec i o, los p oblemas espec o a su p oducción hacen que la búsqueda de un nue o ipo de ma e ial cemen icio sea necesa ia, ya que, as su ida ú il, no podemos segui u ilizándolo de o ma inde inida, pues es necesa io nue o cemen o cada ez que se hacen nue os edi icios y el mayo p oblema es á en su p oducción. Pa a el es udio de la con aminación gene ada en la p oducción del cemen o se segui á el p oceso de ab icación an e io men e desc i o: Pa a la ex acción de las ma e ias p imas es necesa ia la c eación de can e as, que conlle an di e en es impac os po enciales, ales como17: o Cambios en el suelo y modi icación de sus p opiedades. o Desapa ición de la lo a y la auna. o Con aminación a mos é ica: uido, ib aciones, emisión de pa ículas o Con aminación de aguas supe iciales y/o sub e áneas. [25] Además, exis e la necesidad de emplea combus ibles ósiles pa a anspo a el ma e ial, o de dinami a pa a las oladu as. Aunque en el p oceso de ex acción de ma e ias p imas sean necesa ios combus ibles ósiles, con sus consecuen es emisiones de CO2, es la p oducción del clínke en los ho nos o a o ios lo que más pe judica al medio ambien e, ya que se p oducen 0,85 kg de CO2 po kg de clínke 18. Ac ualmen e, se calcula que al ededo de un 5% de las emisiones mundiales de CO2 p oceden de la p oducción de cemen o19, aunque o os es udios llegan a ele a dicha ci a al 8%. Siendo el 90% de es as emisiones a causa de la p oducción del clínke : - 40% de los combus ibles necesa ios. Hay que alcanza los 1500ºC. - 50% de las eacciones químicas que ienen luga en el ho no20 (cocción) Aunque muchos gas os ene gé icos se han minimizado o sol en ado, como po ejemplo u iliza can e as más p óximas a la plan a de p oducción, pa a baja cos es de combus ible en el anspo e, el más impo an e que es el que se p oduce en la p oducción del clínke , no se ha conseguido ebaja signi ica i amen e. Además, jun o al CO2 se emi en o os gases como el óxido de azu e SO2 o el óxido de ni ógeno NO2, ambos esponsables de la llu ia ácida. Tampoco podemos ol ida el monóxido de ca bono, o las pa ículas de pol o emi idas a la a mós e a. Además, apa e de que la p oducción de clínke necesi a una g an can idad de a cillas y calizas, las necesidades ene gé icas son muy al as, a iando en e las 1400 y 1800 kcal/kg de clínke 13-18. Como se ha indicado an e io men e, ac ualmen e exis e un plan eu opeo pa a hace más e icien es las plan as de p oducción de cemen o de países en ías de desa ollo, y así consegui unas meno es emisiones de CO2 a la a mós e a. Pe o esa ebaja es de solo el 20%, una ci a insu icien e, ya que, aun bajando incluso un 30%, si la demanda de cemen o sigue aumen ando al i mo ac ual, las emisiones segui án aumen ando7. Hay que ema ca que median e la ía seca se consigue un meno gas o ene gé ico, pe o, se ob iene una mezcla menos homogénea. Po o a pa e, la ía húmeda, p oduce una con aminación híd ica impo an e, con g an can idad de sólidos disuel os y suspendidos, jun o a una posible con aminación é mica, p o ocada po una empe a u a de los e idos po encima de la empe a u a ambien e. [32] El mecanismo p opues o po Da ido i s pa a la geopolime ización a pa i de NaOH o KOH, es el siguien e50: (𝑆𝑖2𝑂5,𝐴𝑙2𝑂2)𝑛+ 𝑛𝐻2𝑂𝑁𝑎𝑂𝐻 , 𝐾𝑂𝐻 → 𝑛(𝑂𝐻)3−𝑆𝑖 −𝑂 − 𝐴𝑙 − (𝑂𝐻)3 𝑛(𝑂𝐻)3−𝑆𝑖 − 𝑂 − 𝐴𝑙 − (𝑂𝐻)3 𝑁𝑎𝑂𝐻 , 𝐾𝑂𝐻 → (𝑁𝑎, 𝐾)− (− 𝑂 𝑆𝑖 𝑂 − 𝑂 − 𝑂 𝐴𝑙 𝑂 − 𝑂 − )𝑛 Respec o a las dis in as combinaciones molecula es que se pueden segui pa a hace geopolíme os, Da ido i s expuso cie as eglas gene ales51: - El núme o de moles de SiO2, espec o a los de M2O en soluciones acuosas de silica os solubles debe se en e 4 y 6,6 eces supe io , siendo M un ca ión me álico alcalino. - Además, el núme o de moles de SiO2, espec o a los Al2O3 de debe se en e 5,5 y 6,5 eces supe io . - El aluminosilica o de pa ida debe con ene aluminio que sea ácilmen e soluble. Aunque es cie o que, si la elación en e Si/Al es meno que 1 o mayo que 5 las ca ac e ís icas mecánicas no son las ideales52, di e sos es udios demos a on la posibilidad de p epa a geopolíme os con unas elaciones mola es Si/Al de en e 0,5 y 30053. 2.2.3 Recu sos ma e iales pa a la o mación de geopolíme os  Sólidos his ó icamen e u ilizados como p ecu so es: Como se comen ó an e io men e la ma e ia sólida undamen al pa a la geopolime ización es un aluminosilica o. Gene almen e se han u ilizado esiduos y esco ias, aunque ambién se puede ecu i a uen es de aluminio y silicio na u ales. Los aluminosilica os, en especial los de o igen esidual, han podido expe imen a o no un p e a amien o p e io, gene almen e una calcinación. Es e p e a amien o es signi ica i o, ya que po ejemplo la ceniza olan e con iene inquemados, que una calcinación p e ia pod ía e i a . Los geopolíme os basados en ma e iales no calcinados ienen endencia a ene mejo es esis encias a comp esión en las ases inales del cu ado, a di e encia de las p ime as e apas como se expone más adelan e. No solo se p oducen a iaciones en la composición po un p e a amien o, sino que, además, una calcinación p oduce cambios en la es uc u a del ma e ial, haciendo que se pase de una es uc u a c is alina a una amo a (más eac i a). Po lo gene al, los dis in os p e a amien os ienden a aumen a la eac i idad del aluminosilica o p ecu so en la eacción de geopolime ización, mejo ando las ca ac e ís icas de o ma genuina. El p e a amien o de calcinación hace que los geopolíme os ob engan una mejo esis encia a comp esión en las p ime as e apas de cu ado54. [33] Respec o a aluminosilica os des aca po su u ilización emp ana, el caolín55, el cual es una a cilla mayo i a ia en los p ime os diez me os de la co eza e es e56, la e minología caolín hace e e en e exac amen e a odos los p oduc os o mados a pa i de un g upo mine al llamado caolini a, siendo su composición a iable. La u ilización del caolín no es inmedia a, si no que as un calen amien o a empe a u as ce canas a los 750 ºC du an e 24 ho as, se ans o ma en me acaolín. Al se some ido a dicha calcinación, el caolín adquie e mayo supe icie especí ica a la ez que una meno c is alinidad57, mo i os po los cuales se elige en mayo medida el me acaolín47-58. La calcinación del caolín emi e g andes can idades de CO2, po las al as empe a u as necesa ias y la du ación del p oceso, y, además, p esen a o os p oblemas como la necesidad de g andes can idades de agua du an e las mezclas con o os ma e iales, po lo que su u ilización no esul a ace ada pa a la ab icación a g an escala, como ma e ial cemen icio, siendo po o a pa e habi ual a pequeña escala pa a la ab icación de e es imien os y p oduc os con al a adhe encia59. El me acaolín se u iliza cuando la elocidad de disolución del aluminio no es su icien e o cuando la composición del aluminosilica o no es la deseada, en con aposición el me acaolín no se u iliza sólo, pues gene a un p oduc o con pob es p opiedades mecánicas, como una baja esis encia. Po lo que es u ilizado gene almen e con o os ma e iales60. Apa e de las cenizas olan es, las esco ias de al os ho nos han sido u ilizadas con asiduidad, pese a que his ó icamen e han enido di e en es salidas como e ilizan e o en la indus ia del e oca il como balas o61. Es as esco ias apa ecen as la undición de una mena pa a consegui un me al pu o, quedando al inal una mezcla de óxidos me álicos, que pueden con ene sul u os. Según el o igen de la esco ia, su composición a ía eno memen e, ya que mien as que la p o enien e de undiciones no e osas es ica en hie o y sílice, los cuales ayudan a la ab icación de un buen geopolíme o, las e osas dan como esul ado una esco ia ica en calcio, magnesio y aluminio. Las esco ias han demos ado g an alo como ma e ias p imas en la o mación de geopolíme os, des acando po su g an esis encia ísica. Ac ualmen e, odos los aluminosilica os esiduales, sin impo a su p ocedencia, ya sea indus ia mine a, cons ucción y demolición, ienden a se explo ados como uen e de geopolíme os ya que es una o ma de alo iza dichos esiduos62.  Soluciones ac i ado as: El p ime paso de la geopolime ización es como se io an e io men e la disolución del aluminio y del silicio, además de o os iones. Esa es la azón po lo cual la elección de la solución ac i ado a es una ope ación an ele an e. La solución ac i ado a debe cumpli 2 obje i os undamen ales: - La disolución de los elemen os que o ma an la ed de polisiala os. - P oduci la ac i ación de los enlaces supe iciales del ma e ial sólido que queda. [34] Ambas ca ac e ís icas in luyen de mane a muy impo an e en la geopolime ización y, po ende, en las u u as p opiedades del ma e ial63. Las soluciones ac i ado as deben c ea un medio básico, es po ello que es án undamen almen e o madas po hid óxidos o silica os alcalinos.  Alcalinidad del medio: Hid óxidos Las soluciones ac i ado as más habi uales in oducidas po el p opio Da ido i s ue on aquellas que con ienen NaOH o KOH, las cuales in oducen iones OH-, que disuel en la alúmina y sílice eac i as, mien as que los elemen os alcalinos Na+ y K+ se in oducen en los e aed os, pasando a se pa e de la es uc u a64. Es de g an impo ancia a su ez, la alcalinidad del medio, ya que la manejabilidad y la ixo opía dependen en g an medida de la misma65, compo ándose de una o ma iscosa y poco plás ica cuando no se alcanza dicha alcalinidad. La elección de la alcalinidad óp ima no es sencilla ya que, aunque una al a concen ación conlle a una mejo disolución de los aluminosilica os66, que signi ica según algunos es udios, un mejo compo amien o mecánico del geopolíme o67, una concen ación demasiado al a es á comp obado que es opea la esis encia a la go plazo60-61. La u ilización de sodio o po asio no es cues ión baladí ya que dichos elemen os no se compo an de la misma o ma, según algunos au o es, la di e encia de adios a ómicos – el del sodio es meno -, hace que as la solución los oligóme os de silica os sean más pequeños, aspec o que hace que los geopolíme os de cenizas olan es con NaOH consigan mayo esis encia en el co o plazo que los mismos ac i ados median e KOH68. O os au o es, a i man que el mayo amaño del adio a ómico del po asio, hace que se omen e la gene ación de oligóme os de mayo 66, que se unen a g upos Al(OH)4-, p oduciendo una mayo policondensación. O o aspec o de g an ele ancia, es la di e encia de cos e, siendo el KOH el más cos oso.  Adición de silicio soluble La adición de silica os solubles iende a mejo a la es uc u a de los geopolíme os, pe mi iendo unas mejo es p opiedades mecánicas69. O os es udios con i man que aumen a la can idad de silica os solubles p oduce una mayo ase de gel geopolimé ico, y que es e aumen o es la azón po la cual se p oduce un inc emen o de la esis encia mecánica69. O os es udios señalan que la adición de silica os solubles a cenizas olan es70, p oduce que el geopolíme o inal enga una es uc u a amo a mayo , lo mismo se ha demos ado pa a los geopolíme os a pa i de me acaolín63. No obs an e, la a iación de las ca ac e ís icas an e io es no se debe a una modi icación del p oceso de geopolime ización71, sino que esponde a la a iación de la ciné ica de las eacciones químicas p oducidas du an e la geopolime ización. [35]  O as a iables debidas al ma e ial La p esencia de o os elemen os dis in os del aluminio y el silicio, como hie o, calcio o magnesio es impo an e en muchos aluminosilica os esiduales como cenizas olan es o pa al. Dichos elemen os son capaces de a ia los mecanismos de geopolime ización, con cambios po lo an o en p opiedades ísico-químicas del geopolíme o inal63. Po o a pa e, a iaciones en p opiedades como el pH del p ecu so del silica o me álico alcalino inicial, p oducen impo an es a iaciones en la esis encia a comp esión de los geopolíme os con ceniza olan e como ma e ial sólido p incipal65. [36] 2.3 RESIDUOS DE PARTIDA En es e p oyec o, in en amos busca la o mación de geopolíme os a pa i de esiduos que nos apo en el silicio y el aluminio necesa io. Es de i al in e és en onces la composición, la pu eza y la disponibilidad de és os, los cuales se pueden encon a an o en es ado sólido, po ejemplo, las cenizas olan es, o en es ado líquido, po ejemplo, el anodizado de aluminio. Además, es impo an e su compo amien o no sólo en cuan o a p opiedades ísico- químicas que apo a al geopolíme o si no ambién su compo amien o ambien al. 2.3.1 Cenizas olan es También conocidas como Coal Fly Ash, es án de inidas po la no ma UNE-EN 4500 – 1:2006 + A1:2008, como “un pol o ino con pa ículas p incipalmen e es é icas, semic is alinas, o iginadas po la combus ión del ca bón pul e izado, con o sin ma e iales de co-combus ión, que iene p opiedades puzolánicas y que es á compues a undamen almen e po SIO2 y Al2O3. Clasi icación La no ma EN 197-1:2011 de ine las cenizas olan es, sin emba go, como “ esiduos sólidos que se ob iene po p ecipi ación elec oes á ica o mecánica de pa ículas pul e ulen as a as adas po los lujos gaseosos de ho nos alimen ados con ca bón pul e izado” Además, según la No ma EN 197-1:2011, la ceniza olan e se puede di idi en 2 g andes g upos: - Silícea - Calcá ea. La p ime a iene na u aleza puzolánica mien as que la segunda, además, puede ene p opiedades hid áulicas. (EN 197-1:2011)  Ceniza olan e silícea (V) . Su composición es undamen almen e dióxido de silicio eac i o SiO2 y óxido de aluminio Al2O3, el es o es óxido de hie o Fe2O3 y o os compues os. El po cen aje en peso de óxido de calcio eac i o (CaO) debe se in e io al 10%, mien as que el con enido de óxido de calcio lib e de e minado según la no ma EN-451-1, no debe supe a el 1% en masa. Puede supe a se es e 1% sin pasa del 2,5%, si se cumple que el equisi o de expansión (es abilidad de olumen) no sob epase los 10 mm cuando se ensaye siguiendo las di ec ices de la no ma EN – 196-3, u ilizando una mezcla de un [37] 30% de ceniza olan e silícea y un 70% de cemen o CEM I, de inido po la No ma EN 197-1. El con enido de dióxido de silicio eac i o SiO2 no debe se in e io al 25% en masa. (EN 197-1:2011)  Ceniza olan e calcá ea (W) Es á compues a p incipalmen e po óxido de aluminio Al2O3, dióxido de silicio eac i o y calcio eac i o CaO, siendo el es o óxido de hie o Fe2O3 y o os compues os. Pa a es e ipo de ceniza el po cen aje en peso del óxido de calcio eac i o CaO debe se supe io al 10%. En el caso que dicho po cen aje en peso se encuen e en e el 10% y el 15%, el con enido en masa de dióxido de silicio eac i o SiO2, no debe se in e io al 25%. En cuan o a su esis encia a comp esión, si se ensaya según la No ma EN-196-1, y, la ceniza olan e calcá ea es á co ec amen e molida, con un con enido de CaO supe io al 15% en masa, debe ene una esis encia a comp esión supe io a los 10 MPa a 28 días. Respec o a la expansión (es abilidad del olumen), és a no debe supe a los 10 mm cuando se ensaya siguiendo las di ec ices de la No ma EN 196-3, empleando una mezcla de una ceniza olan e calcá ea (30% en masa) con las ca ac e ís icas an e io es y un cemen o CEM1 de acue do a la No ma 197-1. En cambio, pa a la Ame ican Socie y o Tes ing and Ma e ials (ASTM), según su no ma ASTM C618, exis e una clasi icación dis in a de cenizas olan es: - Clase C - Clase F Donde la di e encia p incipal en e ambas es la suma del po cen aje en peso del dióxido de silicio eac i o, óxido de aluminio y óxido de hie o.  Clase C Las cenizas olan es de es e ipo ienen p opiedades cemen icias y puzolánicas, ob enidas a pa i de ligni os, que son ca bones cuya e olución es la in e media en e la u ba y la hulla, y, ca bones subbi uminosos, cuyas p opiedades es án en e las del ligni o y las del ca bón bi uminoso. En dichas cenizas, el con enido en peso del SiO2 jun o al Al2O3 y el Fe2O3 debe se mayo del 50% y un CaO en e el 10% y el 20%, pa a pode se u ilizadas en ho migones72.  Clase F Son cenizas con p opiedades puzolánicas ob enidas po la combus ión de an aci as y ca bones bi uminosos, con un con enido en peso del SiO2 jun o al Al2O3 y el Fe2O3 que debe se mayo del 70%. [38] La siguien e abla, es un esumen de las ca ac e ís icas de cada clase73: Ca ac e ís icas Clase C Clase F SiO2+Al2O3+Fe2O3 > 50% > 70% CaO > 10% < 10% SO3 < 5% < 5% Álcalis disponibles como NaO2 <1,5% <1,5% Pé dida a la incine ación (LOI) <6% <6% Humedad <3% <3% Tabla 6 Ca ac e ís icas CV según clase Mine alogía Las cenizas apa ecen as la combus ión del ca bón po odas las impu ezas que és e con iene, especialmen e: a cillas, piza as y pied as calizas. Es as impu ezas que no se queman en la combus ión, se unden y c is alizan en o ma de es e as. Dichas c is alizaciones ep esen an en e el 60% y el 90% de la ceniza inal. Algunos au o es, como explican el p o eso P. K. Me ha conside an que la o ma de clasi ica a las cenizas olan es más ace ada es median e su composición mine al c is alina, como exp esó en la con e encia: Building G een71-74. Como explica la No ma (EN 197-1:2011), el con enido en óxido de calcio di ide las cenizas olan es en 2, las que ienen mayo del 10% de su peso en CAO y las que no. Es o se debe en e o os mo i os a que el calcio dic a la eac i idad de las cenizas olan es. En el caso del bajo con enido en calcio (Clase F o Ceniza olan e silícea (V), según clasi icación), se suelen dis ingui pa ículas c is alinas cons i uidas po los siguien es mine ales: mulli a, magne i a, cua zo, hema i a y o os silicoalumina os. Es e ma e ial c is alino es es able, no especialmen e eac i o, po lo que educe la eac i idad de las cenizas olan es. Unos con enidos medios75 se pueden e en la siguien e abla: Cua zo Mulli a Hema i a Magne i a Ca bón C is al* Densidad (kg/m3) 2,8 6,5 1,6 1,9 1,5 86 2220 * Po di e encias Tabla 7 Pa ículas c is alinas en las CV Pa a el g upo de con enido en óxido de calcio supe io al 10% en masa (Clase C o Ceniza olan e calcá ea (W), según clasi icación), con ienen c is ales de silica o de aluminio con al o con enido en calcio, que hacen que es os c is ales sean los más eac i os. [39] Es ado ac ual: Aunque en la ac ualidad la opinión pública es conscien e de los p oblemas de i ados de la u ilización del ca bón como uen e ene gé ica pa a la gene ación de ene gía eléc ica en las plan as é micas, la ealidad es que en el año 2014 log ó una cuo a eco d a ni el global del 30,1%, el más al o desde 1970 y se espe a que, en el p esen e año, 2016, supe e al c udo76. La si uación desc i a puede se más acusada, pues ese aumen o al 30,1% se ha p oducido cuando China ha aumen ado solo su demanda ene gé ica o al un 4,7%, cuando lo lle aba haciendo al 8,4% desde 2012. Es o signi ica que la demanda de ca bón puede segui aumen ado. Al igual que en China, los Es ados Unidos han demandado meno uso del ca bón, aunque es o se debe a mo i os elacionados con el shale gas o el acking, pe o ha aumen ado su expo ación p incipalmen e a Eu opa77. Es en es a si uación en la cual, la eu ilización de las cenizas olan es, se uel e undamen al, pues, aunque en muchos países, el en ío a e ede o ha sido y con inúa siendo, la elección más habi ual78, es o no es e ec i o ya que se calcula que cada onelada de cenizas necesi a un espacio simila a 928 kg de esiduos domés icos, lo que signi ica el ago amien o emp ano de los e ede os79. Además, el es udio sob e las pe spec i as de la e olución mundial en los ámbi os de la ene gía, la ecnología y la polí ica climá ica (WETO) p e é una duplicación de la p oducción de ca bón du an e el pe íodo 2000-2030. El c ecimien o se egis a ía, p incipalmen e, en Asia y Á ica, donde se cen a á más de la mi ad de la ex acción de ca bón en 2030. Es po es os y o os mo i os, que la u ilización de cenizas olan es en los países indus ializados es á no malizada, al igual que en o os en ías de desa ollo. [40] Cenizas olan es en España: Las 22 cen ales é micas del país gene an un o al algo a in e io a los 10 millones de oneladas al año de cenizas y esco ias, y, es a can idad disminuye año a año, an o po mo i os económicos como medioambien ales. Dicha a iación80 iene desc i a en el siguien e g á ico: Ilus ación 5 Cenizas olan es y esco ias en España Las cenizas olan es ep esen an el mayo olumen de los subp oduc os, un 68%, siendo el es o cenizas de ondo, esco ias de calde a y o os. Ac ualmen e, al ededo del 63% de las cenizas olan es son eu ilizadas: - Adición al ho migón (27,8%) - Ma e ia p ima de cemen os (25,9%) - Cons ucción de ca e e as (23,4%) - Cemen os mezclados (11,3%) - O os (11,6%) 58.000.000 60.000.000 62.000.000 64.000.000 66.000.000 68.000.000 70.000.000 72.000.000 74.000.000 2000 2003 2004 2005 2006 2007 Año Cenizas y esco ias p oducidas [41] En la siguien e imagen podemos e la dis ibución de las cen ales é micas, con una po encia supe io a los 20 MW. Sus localizaciones se deben a 3 aspec os: - P oximidad de cuencas mine as, como emos en el no e de España. - Ce ca de la cos a, pa a el abas ecimien o. - P oximidad de cen os u banos. Ilus ación 6 Dis ibución de cen ales é micas en España Cenizas olan es en la Unión Eu opea: Los da os de 201081, de allan una p oducción de 31.616 millones de oneladas y una eu ilización de 13.785 millones de oneladas pa a la Eu opa de los 15. La eu ilización de la ceniza olan e82 pa a el año 2010, ue supe io al 88%, des acando la cons ucción, la cual u iliza ce ca del 43%, la cual los u iliza de la siguien e o ma: - 35,9% adición ho migón - 14,1% cemen os mezclados - 15,6% ma e ia p ima pa a cemen os - 5,5% bloques de ho migón - 24,5% cons ucción de ca e e as - 2,8% ellenos - 1,6% o os [48] CAPÍTULO 3. PARTE EXPERIMENTAL. MATERIALES Y MÉTODOS [49] 3.1 MATERIALES DE PARTIDA En es e p oyec o pa imos de es ma e iales p incipales, ceniza olan e de la cen al é mica de Los Ba ios, pa al y ceniza de casca illa de a oz. Las dos p ime as apo a án la pa e sólida en la gene ación de los geopolíme os, siendo la casca illa de a oz u ilizada pa a ob ene la solución ac i ado a. 3.1.1 Ceniza Volan e de Los Ba ios (CV) La ceniza u ilizada p ocede de la cen al é mica de Los Ba ios (Cádiz, España). Es a ceniza olan e p o iene de la combus ión de ca bón y iene bajo con enido en calcio (ASTM clase F). Ilus ación 8 Ceniza Volan e de Los Ba ios Su composición química (componen es mayo i a ios) ha sido de e minada median e Espec o o ome ía de Abso ción A ómica, as a aque y disolución de la misma siendo es a: Ceniza Volan e los Ba ios (% Peso) Humedad 105 ºC LOI 750 ºC Fe2O3 CaO MgO SiO2 Al2O3 Na2O K2O 0,05 3,32 5,86 3,94 1,84 63,9 21,5 0,68 1,67 Tabla 10 Composición de la ceniza olan e de Los Ba ios Además, la CV p esen a un 72,3% de ase í ea, así como una densidad especí ica de 1,93 g/cm3. Los elemen os aza ue on medidos median e espec oscopia de emisión a ómica usando un plasma de acoplamien o induc i o (ICP-AES) mos ándose los esul ados en la siguien e abla: Concen ación (mg/kg) As Mo Zn Pb Co C Ni Cu Ba Cd Sn Hg Sb Se V 24 17 136 47 33 167 102 97 1287 3 6 0,08 6 19 248 Tabla 11 Elemen os aza de la ceniza olan e Los Ba ios [50] La mine alogía de la ceniza olan e Los Ba ios ha sido ob enida median e análisis po di acción de ayos X, que ue ealizado po el Ins i u o de Ciencias de la Tie a Jaume Alme a (CSIC). Los esul ados es án ep esen ados en la siguien e abla: Mine alogía (% peso) Fase Amo a Cua zo Mulli a Hema i a + Magne i a Anhid i a Gehleni a Plagioclasa Mic olina Ili a Sul u os 63 10 20 3 2 < 0,5 0 2 < 0,5 < 0,5 Tabla 12 Mine alogía de la ceniza olan e Los Ba ios 3.1.2 Pa al El pa al u ilizado ha sido suminis ado po la plan a Be esa Aluminio (Valladolid, España) Su composición química ha sido de e minada ambién as disg egación median e Espec o o ome ía de Abso ción A ómica, siendo es a: Pa al (% Peso) Humedad 105 ºC LOI 750 ºC Fe2O3 CaO MgO SiO2 Al2O3 Na2O K2O 4,58 8,62 2,45 3,06 5,87 11,4 75,9 1,61 0,88 Tabla 13 Composición del Pa al El pa al ca ece de ase í ea y posee una densidad especí ica de 2,51 g/cm3. Los elemen os aza ue on medidos median e espec oscopia de emisión a ómica usando un plasma de acoplamien o induc i o (ICP-AES), mos ándose los esul ados en la siguien e abla: Concen ación (mg/kg) As Mo Zn Pb Co C Ni Cu Ba Cd Sn Hg Sb Se V 15,8 74 2056 322 18 802 320 3550 2794 <2 62 <1 15,3 562 160 Tabla 14 Elemen os aza del pa al [51] Como se obse a en la abla, el pa al iene un con enido especialmen e ele ado de aluminio, necesa io pa a la o mación de geopolíme os. Sin emba go, ca ece de un al o con enido de sílice, po lo cual, pa a ob ene geopolíme os a pa i del mismo hab á que apo a le un ma e ial ico en sílice. Du an e la ealización del p esen e p oyec o, en los ensayos p e ios ealizados, se concluyó que la g anulome ía del pa al no e a la óp ima, ya que e a un ma e ial demasiado g ueso, po lo que se omó la decisión de p ocede a su molido. Molienda del pa al Pa a la molienda se u ilizó un molino de bolas: “RMU di Luigi Giazzi” Ilus ación 9 Molino de bolas La molienda ha consis ido en in oduci el pa al jun o a las bolas de ace o en el siguien e ecipien e de ce ámica: Ilus ación 10 Comienzo de la molienda de Pa al El pa al se ha in oducido p e iamen e en un ho no a 60 ºC du an e 24 ho as, al obse a se en los p ime os ensayos que la humedad del pa al hace que, as la molienda, és e se quede pegado a las bolas y a la supe icie del ecipien e, llegando a pe de se has a un 20% de la masa del p oduc o. [52] Las mejo es condiciones de molido se ob u ie on pa a: - Ma e ial: 0,5 Kg de pa al - Bolas de molienda: 3244 g amos - Du ación: 1 ho a Una ez e minada la molienda, se p ocede a ecoge al pa al, u ilizándose pa a ello una b ocha pues el ma e ial some ido al a amien o é mico se sigue pegando al equipo, aunque en meno medida, como emos en las siguien es imágenes: Ilus ación 11 Finalización de la molienda, limpieza del equipo En la siguien e abla apa ece la dis ibución g anulomé ica an es y después de la molienda: Tamaño de pa ícula µm > 80 80 - 44 44 – 62 > 44 Pa al b u o (% Peso) 99,02 0,38 0,50 0,10 Pa al molido (% Peso) 18,92 5,20 36,58 39,30 Tabla 15 G anulome ía del Pa al [53] P e a amien o Pa al: Imp egnación con NaOH Es sabido que el Pa al con iene una ele ada can idad de aluminio, en una buena p opo ción en o ma de Al elemen al. Du an e la geopolime ización, es e Al gene a hid ógeno gaseoso que es el esponsable de la p oducción de po os en el ma e ial. El esul ado de es e enómeno, es que el ma e ial ob enido iene unas p opiedades mecánicas, esis encia, muy poco desa olladas. Pa a sol en a es e p oblema, se me ió el pa al en un p e a amien o consis en e en la imp egnación del mismo con NaOH el día an e io a la ab icación del geopolíme o. El obje o de es e a amien o ha sido in en a que el aluminio del pa al eacciona a, expulsando los gases, pa a después gene a el geopolíme o sin di icul ad al día siguien e. - Ma e ial 1: 100 g amos de pa al - Ma e ial 2: Solución de a aque NaOH 2,5M 1/5 24H - Relación S/L: 100/8 Condiciones: - 24 ho as Sob e una bandeja, se espa ce el pa al y se añade la solución de a aque, mezclándolo pa a que odo el pa al es é en con ac o con la solución, como emos en la siguien e imagen: Ilus ación 12 Imp egnación del Pa al con NaOH Se pone la bandeja bajo la campana, pa a p e eni la emisión de gases. [54] P e a amien o pa al: Hid ólisis An e el escaso éxi o ob enido con el a amien o de imp egnación con NaOH, se decidió lle a acabo o o p e a amien o median e la ado con agua, según las indicaciones de Félix A. López, Ma i-Ca men Pena y Au o a López94. Además de la libe ación de gases es e a amien o debe elimina o os componen es solubles en agua del Pa al que pod ían se un incon enien e pa a la ob ención de geopolíme os con buenas p opiedades mecánicas. Las eacciones químicas p o ocadas po la hid ólisis son las siguien es: - Oxidación del aluminio y la sílice 2𝐴𝑙 + 3𝐻2𝑂 (𝑙)= 3𝐻2 (𝑔)+ 𝐴𝑙2𝑂3 𝑆𝑖 +1 2𝑂2 (𝑔)+ 𝐻2𝑂 (𝑙)=𝑆𝑖𝑂2+ 𝐻2(𝑔) - Oxidación del ca bu o de aluminio, ni u o y sul u o 𝐴𝑙4𝐶3+ 6𝐻2𝑂 (𝑙)= 3𝐶𝐻4 (𝑔)+ 2𝐴𝑙2𝑂3 2𝑁𝐴𝑙 + 3𝐻2𝑂 (𝑙)= 2𝑁𝐻3 (𝑔)+ 𝐴𝑙2𝑂3 𝑁𝐴𝑙 + 4𝐻2𝑂 (𝑙)= 𝑁𝐻4𝑂𝐻 +𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 Ma e ias p imas: - 100 g amos de pa al - 1 li o de agua Equipo: - 2 ma aces e lenmeye - Placa cale ac o a con agi ación magné ica. Condiciones: - 72 ho as - Tempe a u a ambien e - Agi ación: la su icien e, sin llega a p oduci salpicadu as o un ó ice que llegue al ondo del ma az. [55] Se p ocede añadiendo en cada ma az 50 g amos de pa al y 500 milili os de agua des ilada jun o a un imán. Se pone el ma az sob e la placa cale ac o a, que se necesi a pa a la agi ación, como emos en la imagen, y se deja a empe a u a ambien e. El conjun o se dispone bajo la campana ex ac o a, pa a p e eni la emisión de gases. Ilus ación 13 Hid ólisis Pa al - E lenmeye Los p ocesos de il ado se explican de o ma de allada en los a aques a la ceniza de casca illa de a oz. T as el in de semana se pasó a il a median e un il o Buchne de po celana y sob e el que se dispone papel, como se e en la siguien e imagen: Ilus ación 14 Fil ado del p e a amien o No se hizo un il ado más a inado, pues lo que se necesi aba e a el sólido, sin impo a que el líquido inal no queda a comple amen e anspa en e. Po o a pa e, as la hid ólisis y il ado se gua da el líquido esul an e pa a un posible pos e io análisis, líquido que p esen a un colo lige amen e g isáceo, como se puede ap ecia en la imagen: Ilus ación 15 Líquido esul an e as il ado [56] En o al se ecupe a on as el il ado unos 85 g amos de los 100 u ilizados. Al día siguien e del il ado se p ocedió a p oduci el geopolíme o con pa al la ado, sin emba go, hubo de ompe se la masa sólida que se había o mado de pa al, median e un mo e o de ága a. Ilus ación 168 Masa il ada del p e a amien o Ilus ación 17 Masa solidi icada del p e a amien o Ilus ación 17 Mo e o de ága a [57] 3.1.3 Ceniza de Casca illa de A oz La ceniza de casca illa de a oz o RHA (po sus siglas en inglés, Rice Husk Ash) u ilizada p ocede de la áb ica de A oces He ás S.A. (Se illa, España), y iene la siguien e composición: Ceniza de Casca illa de A oz (% Peso) Humedad 105 ºC LOI 750 ºC Fe2O3 CaO MgO SiO2 Al2O3 Na2O K2O 2,5 13,9 0 0,9 0,6 67,2 <0,3 0,5 0,9 Tabla 16 Composición de la ceniza de casca illa de a oz Dicha ceniza iene, como se obse a en la abla, una al a concen ación de sílice, la cual es undamen al en la o mación de los geopolíme os. Como puede obse a se, es a ceniza iene además una g an can idad de inquemados, que pueden a ec a a la geopolime ización y son esponsables del ono oscu o de la ceniza. La dis ibución g anulomé ica de la ceniza se mues a a con inuación: Tamaño de pa ícula µm > 1250 1250 - 320 320 - 250 250 - 50 < 50 % Peso 0,62 46,76 25,23 25,81 0,62 Tabla 17 G anulome ía de la ceniza de casca illa de a oz Ilus ación 18 Ceniza de casca illa de a oz [64] 3.2.4 Mezclas Como se e á en la pa e expe imen al, las soluciones ac i ado as ob enidas a pa i de la ceniza de casca illa de a oz no se aplica on di ec amen e en muchos casos, si no que se mezcla on con o as soluciones según necesidad. Las soluciones añadidas más ele an es ue on: - NaSil - NaOH 2,5M - NaOH 5M - NaOH 8M Las soluciones de NaOH an e io es ue on p epa adas en el labo a o io y el NaSil se u ilizó di ec amen e. Todas las soluciones ac i ado as con más de un componen e ienen una elación 1:1 en olumen. Siendo las soluciones ac i ado as las siguien es: Solución ac i ado a Densidad (g/ml) NaOH 8M + NaSil 1,372 Solución a aque NaOH 10M 1/5 24H 1,24 Solución a aque NaOH 5M 1/5 24H 1,22 Solución a aque NaOH 5M 1/5 2H 1,18 Solución a aque NaOH 2,5M 1/5 24H + NaOH 2,5M 1,08 Solución a aque NaOH 2,5M 1/5 24H + NaOH 5M 1,12 Solución a aque NaOH 2,5M 1/5 24H + NaOH 8M 1,14 Solución a aque NaOH 2,5M 1/5 24H 1,13 Solución a aque NaOH 2,5M 1/5 24H + NaSil 1,26 Ilus ación 29 Densidades de las soluciones u ilizadas [65] 3.3 ENSAYOS PREVIOS An es de la p epa ación de los geopolíme os a mayo escala, se lle ó a cabo una se ie de ensayos p e ios que die on in o mación undamen al pa a decidi qué composiciones se iban a u iliza pa a p oduci los geopolíme os. Se pa ió de 3 sólidos: I. Ceniza Volan e de Los Ba ios II. Pa al III. Mezclas de Ceniza Volan e Los Ba ios y Pa al Es os se a a on a su ez con di e en es soluciones pa a e cómo se compo aban y cuáles e an las óp imas. Pa a en ende el p ocedimien o seguido, se mues an las ano aciones del cuade no de labo a o io co espondien e al siguien e ensayo: Pa al Molido + Solución: NaOH 5M + NaSil (1:1) + Silica o Sódico Pa al Molido (g) NaSil + NaOH 5M (1:1) (ml) NaSil pu o 1L=1.35 kg (ml) No a 50 4.5 1 50 7.5 0 Tabla 20 Ensayo p e io ejemplo En es a abla mos amos la composición y jun o a ella apa ece án ano aciones ele an es, la elación sólido/líquido y las conclusiones de la p ueba [66] 3.4 GEOPOLÍMEROS T as la ealización de los ensayos p e ios se dio paso a la gene ación de geopolíme os. Es os se han ag upado en 2 g andes g upos, según el sólido apo ado: - Geopolíme os de Ceniza Volan e de Los Ba ios - Geopolíme os Ceniza Volan e de Los Ba ios – Pa al A con inuación, se explica á cómo se han p oducido los geopolíme os en gene al: 1 – Se pesa una can idad de e minada de sólido: 2 – Se in oduce el sólido en la amasado a jun o a la solución ac i ado a y mezclamos egulando la elocidad de la amasado a, en el caso de los ensayos p e io se ha ealizado la mezcla manualmen e. 3 – Se con inúa añadiendo sólido y solución ac i ado a has a consegui una pas a con las ca ac e ís icas adecuadas, pa a ello el geopolíme o debe ene buena manejabilidad y se ixo ópico (es a ca ac e ís ica se de alla á más abajo). Además, la pas a geopolimé ica iene un b illo especial, como se puede obse a . Ilus ación 31 Sólido Ilus ación 30 Mezcla sólido - solución ac i ado a en amasado a [67] Pa a isualiza el cambio de sólido a luido, ligado a la p opiedad ixo ópica de los geopolíme os, en las siguien es imágenes se obse a como una cucha a de plás ico se pone sob e el geopolíme o y es e no cambia su o ma. En la segunda o og a ía la cucha a pene a po si sola en el geopolíme o, al es a és e some ido a ib ación. Ilus ación 32 Tixo opía (1) Ilus ación 33 Tixo opía (2) 4 – Una ez ob enida la pas a geopolimé ica adecuada se in oduce en moldes y es os se me en en el ho no. La pas a e in oduce en el molde mien as se ib an las p obe as, con el in de que el geopolíme o ellene oda la p obe a y se e i e en lo posible la o mación de bu bujas. [68] 5 – Cuando odos los moldes se han ellenado, es os se me en en un ho no a 60 ºC du an e 24 ho as pa a su cu ado. T as las 24 ho as se sacan del ho no y se desmoldan, esul ando p obe as como las que se mues an en la imagen: Po o a pa e, en el caso de que el sólido u ilizado ue a una mezcla, con la siguien e composición, po ejemplo: - Ceniza Volan e 20 % - Pa al 80 % Lo que se hace es mezcla p e iamen e los sólidos en la amasado a, p e e iblemen e, y, cuando la mezcla es homogénea y se comienza el p oceso an e io . En cuan o al egis o de da os se de alla di ec amen e la composición inal, al como se indica en la siguien e abla: Ceniza Volan e los Ba ios (g) Casca illa: NaOH 10M 1/5 24H (ml) H20 (ml) 175 100 35 Ilus ación 35 Ensayo de ini i o ejemplo Los geopolíme os es udiados se han ag upado en los siguien es 5 g upos: - Ceniza Volan e Los Ba ios + Solución Come cial - Ceniza Volan e Los Ba ios + A aque de ceniza de casca illa de a oz 5M y 10M - Ceniza Volan e Los Ba ios + A aque de ceniza de casca illa de a oz 2,5M + NaOH - Ceniza Volan e Los Ba ios + Pa al + A aque de ceniza de casca illa de a oz 2,5M - Ceniza Volan e Los Ba ios + Pa al + A aque de ceniza de casca illa de a oz 2,5M + NaSil Ilus ación 34 P obe as [69] 3.5 ENSAYOS GENERALES. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES T as ob ene los geopolíme os, los sólidos se cu a on a empe a u a ambien e, du an e un pe iodo de 14 o 28 días as lo cual a las p obe as se some ie on a di e en es p uebas pa a medi las siguien es p opiedades - Densidad apa en e - Ensayo de esis encia a comp esión - Ensayo de du eza - Ensayo de po osidad median e in usión de me cu io Pa a cada una de es as p uebas se u iliza on de 3 a 5 p obe as, cuyas dimensiones y p opiedades ue on de e minadas p e iamen e siguiendo la siguien e me odología: Equipo: - Pie de ey - Balanza - Papel de lija - Sie a de me al Ilus ación 36 Pie de ey Ilus ación 37 Papel de lija 1 – Se lijó cada una de las p obe as has a ob ene p obe as con supe icies: lisas y pa alelas. Si alguna de las p obe as lo necesi aba se co ó. FOTO 2 – Se midió adio y al u a de cada una de las p obe as, omándose 3 medidas y u ilizándose el alo medio. 3 – Se pesa on las p obe as. A con inuación, se ealiza on dichos ensayos. [70] 3.5.1 Densidad apa en e La densidad apa en e es una p opiedad undamen al, pues su alo in luye di ec amen e sob e odas las demás: esis encia a comp esión, du eza y po osidad. Una ez clasi icadas las p obe as se p ocedió a medi su densidad apa en e, po medio de la siguien e ó mula: 𝜌 = 𝑀 𝑉 M: Masa de la p obe a (kg) V: Volumen de la p obe a (m3) ρ: Densidad apa en e (kg/m3) Se de e minó la densidad apa en e media a 14 y 28 días. 3.5.2 Ensayo de esis encia a comp esión El ensayo de esis encia a comp esión se ealizó en una máquina modelo TO317EDG ma ca Tinius Olsen, capaz de llega a una comp esión máxima de 2500 kN. Dicha máquina es á compues a po es elemen os: una ca ga de al a esis encia, una bomba hid áulica y un isualizado con olado del sis ema. La elocidad de ca ga se con ola manualmen e po la palanca de con ol de elocidad, donde el con ol de la elocidad g uesa se consigue mo iendo la palanca de delan e hacia a ás. Po o o lado, el con ol de la elocidad ina se log a gi ando la manija en la pa e supe io de la palanca. La esis encia a comp esión se ha medido, en la medida que ha sido posible, según el p ocedimien o indicado en la no ma ASTM E 761-86. Es a no ma es ablece que la esis encia a comp esión se de e mina á median e la aplicación de una ue za de comp esión no mal a la supe icie de la mues a, midiendo la ensión aplicada al 0% de de o mación, o cuando ocu a la o u a del ma e ial, si es a iene luga an es de alcanza dicha de o mación. Ilus ación 38 Máquina modelo TO317EDG [71] El p oceso que se sigue es el siguien e: 1) Encende la máquina (el bo ón es á po de ás) 2) Gi a la osca de o ma que es é en el caso opues o a “desca ga ca ga” 3) P esiona bo ón e de (la máquina ha á un sonido as hace lo) 4) Me e la p obe a, cambiando p e iamen e los discos según el amaño de la misma 5) Pulsa el bo ón Run 6) Si la máquina no se pa a as ompe la p obe a, p esiona el bo ón S op. Apun a el alo de la ca ga pico “Peak Load” señalada. 7) Pa a pode ob ene la ca ga, gi a la osca hacia “desca ga ca ga” 8) P esiona Rese si se desea ol e a hace o a p ueba y ol e a gi a la osca. T as e mina de usa la máquina, apa e de apaga la no hay que ol ida gi a la osca has a desca ga la ca ga. A con inuación, pa a medi la esis encia a comp esión se ha de u iliza la siguien e ó mula: 𝑅𝑚 = 𝐹 𝑆 F: Fue za pico (N) S: Supe icie (m2) Rm: Resis encia máxima a comp esión (Pa) Dado que el alo en pascales es muy al o, se exp esa en mega pascales (MPa) Ilus ación 39 Vál ula ca ga y desca ga [72] 3.5.3 Ensayo de du eza Pa a el ensayo de du eza se u ilizó un du óme o, siguiendo la no ma ISO 868 /7619. Ilus ación 40 Du óme o Se oma on 3 medidas equidis an es pa a cada p obe a en: - Ca as supe io e in e io - Según el eje de la misma. Pa a oma las medidas, p e iamen e qui amos el segu o, a con inuación, se coge el du óme o y se ap ie a la aguja, p e iamen e qui amos el segu o, con a el ma e ial cuya du eza que emos conoce . A pa i de las medidas, se ob u o la du eza media de cada p obe a. [73] 3.5.4 Ensayo de po osidad median e in usión de me cu io Pa a calcula la po osime ía de las p obe as se ha u ilizado la máquina AUTOPORE IV 9500. Ilus ación 41 Máquina Au opo e IV 9500 An es de desc ibi el p ocedimien o hay que esal a algunos aspec os: - Po es a abajando con me cu io, hay que ex ema la p ecaución. Se debe u iliza siemp e guan es, y cuando llegue el momen o del aciado del pene óme o se debe hace en la campana. - Debe encende se el equipo un pa de ho as an es de su u ilización. - Elección del pene óme o: Hay 2 c i e ios pa a elegi el pene óme o:  Na u aleza de la mues a: pol o o sólido g ueso. El diseño del pene óme o es di e en e pa a cada ipo.  La can idad de mues a a analiza . Lo ideal es que la mues a ocupe casi odo el pene óme o pa a aumen a la sensibilidad. Si se dispone de poca mues a hay que elegi un pene óme o de meno olumen. Una excepción son los ma e iales con ele ada po osidad que pueden llega a consumi odo el olumen de Hg del ás ago (s em). Si se die a es e caso hab ía que educi la can idad de mues a a analiza pa a que el ás ago quede al inaliza el ensayo en e el 20 y el 95%. [80] Pa al Molido + Solución: NaOH 5M + NaSil (1:1) + Silica o Sódico En una segunda ase se pensó en la posibilidad de u iliza NaOH 5M en ez de 8M, pues, la al a mola idad podía se la causa de las di icul ades encon adas a la ho a de ellena los moldes. Pa al Molido (g) NaSil + NaOH 5M (1:1) (ml) NaSil pu o 1L=1.35 kg (ml) S/L No a 50 4.5 11,11 1 50 7.5 0 6,67 Tabla 23 Ensayos p e ios (2) No a 1: La mezcla en cues ión pa ece una pas a de cemen o con encional, no iene compo amien o geopolimé ico: al ib a lo sigue igual, no se uel e luido, aunque iene g an manejabilidad. T as añadi le un poco más (3ml) de solución, pasa a se luido y aunque man iene el aspec o un poco g anula , a la ez p esen a ya compo amien o geopolimé ico. Sin emba go, la p esencia de g ánulos, lo desca a como la composición co ec a. Pa al Molido (g) NaSil + NaOH 5M (1:1) (ml) NaSil pu o 1L=1.35Kg (ml) S/L No a 50 4 7 4,55 1 70 4 7 6,36 Tabla 24 Ensayos p e ios (3) No a 1: la mezcla o iginal esul ó se demasiado líquido En onces se le suminis ó una mayo can idad de sólido, 20 g amos de Pa al molido y esul ó una de las mezclas con mejo aspec o de odas. Pa al Molido + Solución: NaOH 2,5M + NaSil (1:1) Pa al Molido (g) NaSil + NaOH 2,5M (1:1) (ml) S/L 100 30 3,33 Tabla 25 Ensayos p e ios (4) Al p incipio pa ecía que es a mezcla no iba a unciona , pe o, as 5 minu os en la amasado a se ob u o un geopolíme o con buen aspec o. Apa en emen e, el sólido esul a más blando que los que con ienen ceniza olan e, pe o man iene la o ma. Po es a azón se pensó que aumen ando la elación sólido/líquido quizás mejo a ía su esis encia, así que se ol ió a p oba , la siguien e composición: Pa al Molido (g) NaSil + NaOH 2,5M (1:1) (ml) S/L 50 13 3,84 Tabla 26 Ensayos p e ios (5) Al p incipio la nue a mezcla pa ecía peo en cuan o a la ixo opía, pe o, as 6 minu os en la amasado a mejo ó su aspec o, dando la imp esión incluso de p oduci una pas a mejo que la an e io . [81] Ceniza Volan e de Los Ba ios + Casca illa: NaOH 2,5M 1/5 24H Ceniza Volan e Los Ba ios (g) Casca illa: NaOH 2,5M 1/5 24H S/L 57 33 1,72 Tabla 27 Ensayos p e ios (6) En es e ensayo se decidió p oba p ime o la e icacia de la solución ob enida as el a aque de la ceniza de casca illa de a oz como ac i ado en la geopolime ización de la ceniza olan e de Los Ba ios. La p obe a ob enida p esen ó una buena manejabilidad y un buen aspec o. Ceniza Volan e los Ba ios + Solución: Casca illa NaOH 2,5M 1/5 24H + NaOH 5M (1:1) Pa a mejo a la ac i ación de la CV. se inc emen ó la alcalinidad de la mezcla. Ceniza Volan e los Ba ios Solución: Casca illa NaOH 2,5M 1/5 24H + NaOH 5M S/L 55 25 2,2 Tabla 28 Ensayos p e ios (7) Los esul ados ob enidos pa ecen p ome edo es. Pa al Molido (80%) + Ceniza Volan e los Ba ios (20%) + Casca illa: NaOH 2,5M 1/5 24H A con inuación, se ensaya on mezclas en los que la ase sólida es aba cons i uida po la mezcla de Pa al con una pequeña p opo ción de CV. Pa al Molido Ceniza Volan e Los Ba ios Casca illa: NaOH 2,5M 1/5 24H S/L No a 40 10 14,5 3,45 1 48 13,5 19,5 3,15 2 Tabla 29 Ensayos p e ios (8) No a 1: Ha esul ado sencillo gene a el geopolíme o, aunque no p esen a mucha ixo opía. T as el desmolde han apa ecido en el sólido zonas con al a de ma e ial (g andes po os). No a 2: Han seguido apa eciendo los mismos po os que en el caso an e io . Pa ece que las mezclas an e io es ca ecen de la plas icidad adecuada pa a ellena los moldes con enien emen e y pa a compac a la mezcla. [82] Ceniza Volan e los Ba ios (30%) + Pa al (70%) + Solución: Casca illa NaOH 2,5M 1/5 24H + NaSil (1:1) Aunque la mezcla Ceniza Volan e de Los Ba ios con pa al (20-80) apa en emen e unciona, en es a p ueba a o de mejo a los esul ados ob enidos añadiendo NaSil, ya que el apo e de silicio puede complemen a a un ma e ial como el Pa al pob e en sílice Mezcla: Ceniza Volan e los Ba ios (30%) + Pa al (70%) (g) Solución: Casca illa NaOH 2,5M 1/5 24H + NaSil (ml) S/L 36 11 3,27 Tabla 30 Ensayos p e ios (9) La mezcla esul an e iene mejo a aspec o que la co espondien e al caso an e io (sin adición de sílice) Ceniza Volan e los Ba ios (40%) + Pa al (60%) + Solución: Casca illa NaOH 2,5M 1/5 24H + NaSil (1:1) Aunque en el ensayo an e io ya se había modi icado lige amen e la p opo ción Pa al/CV., en es e ensayo se ha inc emen ado la p opo ción de CV has a el 40%, jus o debajo de la mezcla 50+50 ya es udiando en abajos an e io es ealizados en el Dp o. de Ingenie ía Química y Ambien al de la Uni e sidad de Se illa en el que se ha desa ollado es e p oyec o. Mezcla: Ceniza Volan e los Ba ios (40%) + Pa al (60%) (g) Solución: Casca illa NaOH 2,5M 1/5 24H + NaSil (ml) S/L 46 13 3,53 Tabla 31 Ensayos p e ios (10) Como cabía espe a a mayo can idad de ceniza, mayo es ca ac e ís icas se pueden ap ecia en la mezcla geopolimé ica. En los 2 casos an e io es, g acias a la adición de NaSil han desapa ecido los po os y as el desmolde se ob ienen piezas más uni o mes, como se puede ap ecia en la siguien e imagen: Ilus ación 44 P obe a as desmolde [83] La elación sólido/líquido es impo an e en odos los ma e iales cemen icios y de ella dependen en e o as, las p opiedades mecánicas de los sólidos inales. De los ensayos an e io es se obse ó que odas las combinaciones con solo Pa al necesi an poco líquido. Po el con a io, aquellas que u ilizan cenizas olan es de Los Ba ios necesi an bas an e solución ac i ado a. 4.3 PRETRATAMIENTOS P e a amien o Pa al: Ve apa ado ma e iales y mé odos pa a el undamen o. Lo que que emos hace es una mezcla Pa al + Solución: (Casca illa: NaOH 2,5 M 1/5 24H + NaSil) (1:1). El día an e io se mezcló solo Pa al con NaOH. En p ime luga , hacemos que haya una elación 1:1 y luego añadimos la mezcla. Pa al Casca illa: NaOH 2,5M 1/5 24H + NaSil (1:1) H2O S/L 110 47 5 2,11 Tabla 32 P e a amien o Pa al Se u ilizó agua, pese a que una de las ca ac e ís icas del p esen e p oyec o es el in en a e i a lo. El p e a ado no uncionó, la azón más impo an e ue que as hace el p e a ado al día siguien e se habían o mado unas es e as du as de pa al con la sosa, y, que no se e disol ían. En la siguien e imagen podemos obse a los di e en es g ánulos o mados as el baño: Además, hubo que añadi agua pa a baja su du eza. Aun así, se ompie on las bolas y se me ió en el ho no la p obe a. Ilus ación 45 P e a amien o Pa al [84] 4.4 ENSAYOS DEFINITIVOS 4.4.1 Composiciones En la siguien e abla se p esen an odas las composiciones expe imen adas pa a la p epa ación de geopolíme os. La elación en e solución de a aque y solución come cial si la hubie e ha sido de 1:1. Las elaciones en e sólidos apa ecen de alladas en la misma. Las mezclas ensayadas como se explicó en el apa ado an e io , se pueden clasi ica en 5 bloques o g upos: - Ceniza Volan e Los Ba ios + Solución Come cial - Ceniza Volan e Los Ba ios + A aque de ceniza de casca illa de a oz 5M y 10M - Ceniza Volan e Los Ba ios + A aque de ceniza de casca illa de a oz 2,5M + NaOH - Ceniza Volan e Los Ba ios + Pa al + A aque de ceniza de casca illa de a oz 2,5M - Ceniza Volan e Los Ba ios + Pa al + A aque de ceniza de casca illa de a oz 2,5M + NaSil Bloque Sólido Solución a aque Solución come cial S/L Núme o Ensayo 1 Ceniza Volan e Los Ba ios* - NaOH 8M + NaSil (1:1) 2,69 1 2 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 5M - 2,96 2 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 5M (Bomba Pa ) - 2,82 3 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 10M - 1,75 4 3 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 2,5M NaOH 2,5M 2,65 5 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 2,5M NaOH 5M 2,73 6 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 2,5M NaOH 8M 2,13 7 4 Ceniza Volan e Los Ba ios (20%) + Pa al (80%) NaOH 2,5M - 3,64 8 Ceniza Volan e Los Ba ios (30%) + Pa al (70%) NaOH 2,5M - 3,66 9 Ceniza Volan e Los Ba ios (40%) + Pa al (60%) NaOH 2,5M - 3,47 10 5 Ceniza Volan e Los Ba ios (20%) + Pa al (80%) NaOH 2,5M NaSil 3,41 11 Ceniza Volan e Los Ba ios (30%) + Pa al (70%) NaOH 2,5M NaSil 3,12 12 Ceniza Volan e Los Ba ios (40%) + Pa al (60%) NaOH 2,5M NaSil 3,33 13 Tabla 33 Tabla composiciones inales (*) Además se añadió H2O. [85] En la abla an e io se obse an las dis in as composiciones co espondien es a cada uno de los 5 bloque seleccionados, a cada uno de los cuales se les ha asignado un núme o. Los bloques 1, 2 y 3 u ilizan como sólido la ceniza olan e, el bloque 1 puede conside a se el “blanco”, geopolíme o gene ado a pa i de soluciones come ciales seleccionadas y CV., en el bloque 2 se u ilizan las soluciones de a aque sin o a solución come cial y en el bloque 3 la solución de a aque NaOH 2,5 M a la que se le añadido soluciones de NaOH con di e en es mola idades. En el caso del bloque 2, se pod á analiza las ca ac e ís icas de los p oduc os ob enidos as la aplicación de las soluciones de a aque di ec amen e a la CV. No se ha u ilizado la solución NaOH 2,5 M 1/5 24H, po que en los ensayos p e ios se comp obó que es a solución no enía la su icien e capacidad ac i ado a. En el caso del bloque 3, con las p obe as 5, 6 y 7 se pod á analiza la a iación de p opiedades al cambia la alcalinidad del medio. Respec o a los bloques 4 y 5, se a a de ensayos donde se ha u ilizado di e en es mezclas de ceniza olan e de Los Ba ios y Pa al. En el caso del bloque 4 se ha u ilizado solo la solución de a aque NaOH 2,5 M, mien as que en el bloque 5 se ha añadido ambién silica o sódico. Tan o con el bloque 4 como con el bloque 5, con las p obe as 8, 9, 10, 11, 12 y 13 se pod á es udia las a iaciones que se p oducen po a ia la p opo ción ceniza olan e Los Ba ios- Pa al. Además, con la compa ación po pa es en e los bloques 4 y 5, es deci 8-11, 9-12 y 10- 13 se pod á e las consecuencias de la adición del silica o sódico. 4.4.2 Aspec o de los ensayos An es de comenza a analiza las di e en es p uebas a las que ue on some idas las p obe as, se analizan de o ma cuali a i a algunos aspec os ap eciables en la p epa ación de la pas a geopolimé ica y as el desmolde de las p obe as. Núme o Ensayo Necesidad H20 Tixo opía Aspec o Gene al Pul e ulen o Po os Plas icidad Abombamien o de p obe as E lo escencias Cos a Olo ag esi o al lija 1 Si Media Bueno No No No No No No No 2 No Al a Bueno No Si No No No No No 3 No Al a Bueno No No No No Si No Si 4 No Media Medio No No No No No Si Si 5 No Media Medio Si Si No No No No No 6 No Al a Bueno Si Si No No No No No 7 No Baja Malo Si Si No No No No No 8 No Baja Malo Si Si No Si No Si Si 9 No Baja Malo Si Si Si Si No Si Si 10 No Media Medio Si Si No Si No Si Si 11 No Media Malo Si Si No Si Si Si No 12 No Media Medio Si Si No Si Si Si No 13 No Al a Bueno Si Si No Si Si Si No Tabla 34 Resumen del aspec o de los ensayos [86] Imágenes de los ensayos inales: Ilus ación 46 Ensayo 1: Lijado Ilus ación 48 Ensayo 2 Ilus ación 47 Ensayo 2: po os Ilus ación 49 Ensayo 4: E lo escencias [87] Ilus ación 50 Ensayo 5: P obe as pul e ulen as Ilus ación 51 Ensayo 7: P obe a con al a con huecos Ilus ación 52 Ensayo 12: P obe a abombada y con cos a [88] 4.4.3 Densidad Apa en e En la abla siguien e se ecogen los da os de densidad apa en e de los sólidos ob enido. La densidad se ha medido a los 14 y 28 días. Bloque Sólido Solución a aque Solución come cial ρ14 (kg/m3) ρ28 (kg/m3) Nº 1 Ceniza Volan e Los Ba ios - NaOH 8M + NaSil (1:1) 411 433 1 2 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 5M - 410 429 2 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 5M (Bomba Pa ) - 409 418 3 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 10M - 430 4 3 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 2,5M NaOH 2,5M 379 389 5 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 2,5M NaOH 5M 391 402 6 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 2,5M NaOH 8M 395 409 7 4 Ceniza Volan e Los Ba ios (20%) + Pa al (80%) NaOH 2,5M - 426 446 8 Ceniza Volan e Los Ba ios (30%) + Pa al (70%) NaOH 2,5M - 411 434 9 Ceniza Volan e Los Ba ios (40%) + Pa al (60%) NaOH 2,5M - 403 422 10 5 Ceniza Volan e Los Ba ios (20%) + Pa al (80%) NaOH 2,5M NaSil 430 457 11 Ceniza Volan e Los Ba ios (30%) + Pa al (70%) NaOH 2,5M NaSil 425 453 12 Ceniza Volan e Los Ba ios (40%) + Pa al (60%) NaOH 2,5M NaSil 418 446 13 Tabla 35 Densidad Apa en e Se pasan los da os a la siguien e g á ica pa a e mejo las compa aciones. Ilus ación 53 Densidad Apa en e 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 12345678910 11 12 13 kg/m³ Núme o expe iencia ρ14 ρ28 [89] Al compa a los alo es de densidad a 14 y 28 días se puede obse a un aumen o de la densidad de p obe as con el paso del iempo, comp endido en e un 2-7%. Dado que la masa p ác icamen e pe manece (o disminuye lige amen e), es a pequeña di e encia es debida a la educción de dimensiones y po an o de olumen de las p obe as, como consecuencia de la con acción de la mismas p oducida en la ase de cu ado. En los bloques des aca la al a densidad de las mues as con Pa al, po lo que empezamos analizando la in luencia de la mezcla sólida.  In luencia de la composición de Ceniza Volan e de Los Ba ios y Pa al: Las densidades especí icas de los ma e iales sólidos de pa ida son: Ceniza Volan e de Los Ba ios 1,93 g/cm3 Pa al 2,51 g/cm3 El pa al iene un 30% más de densidad especí ica. Como se e en la g á ica an e io , p ác icamen e odas las composiciones con pa al supe an a las que no lo ienen. En el único caso en el que es o no se da, es en el expe imen o 10, en el cual hay un 40% de pa al, el mínimo u ilizado, y, a la ez se u iliza una solución de a aque 2,5 M, mien as que en el es o que las supe an de ceniza 1, 2 y 3 las concen aciones son siemp e más al as. Los casos más ilus a i os son los conce nien es a los bloques 4 y 5, es deci los expe imen os 8, 9, 10 y 11, 12, 13 en los cuales, a igualdad de soluciones ac i ado as, disminuye la densidad apa en e a medida que disminuye la can idad de pa al.  In luencia de la solución ac i ado a: A pa i de los bloques 4 y 5, pasamos a analiza la in luencia del NaSil, ya que es e se encuen a p esen e en el bloque 5 pe o no en el 4. Las densidades especí icas de las soluciones ac i ado as son: NaOH 2,5M 1/5 24H 1,13 g/cm3 NaOH 2,5M 1/5 24H + NaSil 1,26 g/cm3 Añadi silica o hace que la solución ac i ado a enga un 11,50% más de densidad. Sin emba go, al se la elación S/L supe io a 3, es e aumen o de densidad no se e an acusado po la solución, sino po el silica o soluble añadido, ya que como imos en la pa e in oduc o ia de los geopolíme os, según di e sos es udios como el de Ko alchuck Palomo o Lee y Van De en e 97, añadi silicio p oduce una mayo compac ación y mejo a de las p opiedades ísicas. El aumen o g acias al silicio ha a iado, de media, de la siguien e o ma: - Pa a Pa al (80%) – CV (20%): 1,17% - Pa a Pa al (70%) – CV (30%): 4% - Pa a Pa al (60%) – CV (40%): 4,8% [96] 4.4.6 Ensayo de po osidad median e in usión de me cu io Como úl ima p ueba, se in es igó la po osidad de cie os ensayos de la mezcla Ceniza Volan e de Los Ba ios y Pa al, que nos pe mi i á analiza la elación de los po os con el NaSil y la can idad de C.V. – Pa al. Po úl imo, se ha analizado un ensayo ela i o al bloque 3. Bloque Sólido Solución a aque Solución come cial In usión To al Volumen (ml/g) Nº 3 Ceniza Volan e Los Ba ios NaOH 2,5M NaOH 8M 0,314 7 4 Ceniza Volan e Los Ba ios (40%) + Pa al (60%) NaOH 2,5M - 0,2406 10 5 Ceniza Volan e Los Ba ios (20%) + Pa al (80%) NaOH 2,5M NaSil 0,2347 11 Ceniza Volan e Los Ba ios (40%) + Pa al (60%) NaOH 2,5M NaSil 0.2251 13 Tabla 38 Ensayo de po osidad median e in usión de me cu io An es de analiza la po osime ía en p o undidad, es necesa io jus i ica la alidez de es os da os. Hay una co elación o al espec o al ensayo de densidad apa en e, a menos densa es una p obe a más olumen ha sido capaz de pene a en las mues as. P opiedad ambién co elacionada o almen e a su ez, con el ensayo de esis encia a comp esión. Se mues an a con inuación las ablas ela i as a los ensayos: Ceniza Volan e Los Ba ios + NaOH 2,5M 1/5 24H + NaOH 8M Diáme o de po o (µm) Vs In usión di e encial (Ml/g/µm) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 [97] Diáme o de po o (µm) Vs In usión di e encial Loga í mica (Ml/g/µm) Diáme o de po o (µm) Vs Á ea de po o acumulada (m2/g) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 0 2 4 6 8 10 12 14 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 [98] Ceniza Volan e Los Ba ios (40%) + Pa al (60%) + NaOH 2,5M 1/5 24H Diáme o de po o (µm) Vs In usión di e encial (Ml/g/µm) Diáme o de po o (µm) Vs In usión di e encial Loga í mica (Ml/g/µm) -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 [99] Diáme o de po o (µm) Vs Á ea de po o acumulada (m2/g) Ceniza Volan e Los Ba ios (20%) + Pa al (80%) + NaOH 2,5M 1/5 24H + NaSil Diáme o de po o (µm) Vs In usión di e encial (Ml/g/µm) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 [100] Diáme o de po o (µm) Vs In usión di e encial Loga í mica (Ml/g/µm) Diáme o de po o (µm) Vs Á ea de po o acumulada (m2/g) -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 [101] Ceniza Volan e Los Ba ios (40%) + Pa al (60%) + NaOH 2,5M 1/5 24H + NaSil Diáme o de po o (µm) Vs In usión di e encial (Ml/g/µm) Diáme o de po o (µm) Vs In usión di e encial Loga í mica (Ml/g/µm) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 [102] Diáme o de po o (µm) Vs Á ea de po o acumulada (m2/g) Respec o a las á eas o ales de po os, los esul ados han sido los siguien es: Ensayo Á ea de po o o al (m2/g) Diáme o medio de Po o (µm) Nº Ceniza Volan e Los Ba ios + NaOH 2,5M 1/5 24H + NaOH 8M 12,479 0,0067 7 Ceniza Volan e Los Ba ios (40%) + Pa al (60%) + NaOH 2,5M 1/5 24H 4,312 0.0678 10 Ceniza Volan e Los Ba ios (20%) + Pa al (80%) + NaOH 2,5M 1/5 24H + NaSil 2,464 0.1697 11 Ceniza Volan e Los Ba ios (40%) + Pa al (60%) + NaOH 2,5M 1/5 24H + NaSil 5,213 0,0440 13 Tabla 39 Tabla esumen ensayo po osime ía  In luencia de la composición de Ceniza Volan e de Los Ba ios y Pa al: Compa ando los ensayos 11 y 13, se obse a que a mayo can idad de Pa al en la mezcla, se gene an po os de mayo diáme o, pese a que ep esen an menos á ea o al, menos de la mi ad.  In luencia de la solución ac i ado a: Compa ando los ensayos 13 y 10, se obse a que el silica o sódico iende a gene a po os de meno amaño y más á ea. Además, compa ando las g á icas de: Diáme o de 0 1 2 3 4 5 6 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 [103] po o (µm) Vs In usión di e encial Loga í mica (Ml/g/µm), se obse a di e encia impo an e en e la in usión di e encial loga í mica pa a el diáme o de po o de 10 µm, omando la expe iencia sin NaSil un alo ap oximado de 0,15 y la que, si iene NaSil, un alo de 0,06 ap ox. Es a di e encia es de g an ele ancia, pues luego pa a o os diáme os de amaño de po o, las g á icas son más pa ecidas. Po o a pa e, en la compa ación de las g á icas de Diáme o de po o (µm) Vs Á ea de po o acumulada (m2/g), la expe iencia con NaSil iene po os con diáme os in e io es a 0,01 µm, que aumen an el alo de á ea de po o acumulada, si uación que no ocu e en la mues a sin NaSil, donde el á ea acumulada de po o no aumen a. [104] CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES [105] 5.1 CONCLUSIONES En el p esen e p oyec o se han desa ollado di e sos geopolíme os a pa i de Ceniza Volan e de Los Ba ios y Pa al, an o po sepa ado como mezclados, u ilizándose pa a ello soluciones ac i ado as, ob enidas median e a aque a ceniza de casca illa de a oz. Se ha es udiado de o ma expe imen al siguien es e ec os: - Ma e ia sólida apo ada: Ceniza Volan e Los Ba ios, Pa al y mezcla de los an e io es. - Soluciones ac i ado as: o E ec o de las di e en es mola idades en los a aques, y, en la gene ación de geopolíme os. o E ec o del NaSil en la geopolime ización Pa a la compa ación en e los di e en es ensayos, se es udió la esis encia a comp esión, la densidad apa en e, la du eza y la po osime ía median e inyección de me cu io. Del es udio se ex aen las siguien es conclusiones: El Pa al no es capaz de p oduci po si solo geopolíme os esis en es, aun añadiendo silica o sódico en la solución ac i ado a. Tampoco es capaz de consegui una esis encia su icien e, as di e sos p e a amien os como la hid ólisis o la imp egnación con NaOH. Sin emba go, mues a una mejo a ele an e al se some ido a molienda. Po o a pa e, la mezcla con ceniza olan e mejo a sus p opiedades de o ma signi ica i a, en es e caso, añadi NaSil a la mezcla mejo a sus p opiedades no ablemen e. En cuan o a la po osidad, la u ilización de Pa al la aumen a. Los geopolíme os a pa i de ceniza olan e mejo an sus p opiedades mecánicas, al aumen a las mola idades de las soluciones de a aque y al aplica NaSil, des acando es a úl ima. Soluciones de a aque con mola idades in e io es a 5, como 2,5M, gene an geopolíme os pul e ulen os. En elación con la conclusión an e io , el aumen o de la mola idad de la solución de a aque ex ae mayo can idad de sílice, siendo al a la di e encia en e a aques de mola idad 2,5 y 5, y no ele an e pa a mola idades supe io es a 5. La adición de NaSil, p oduce po lo gene al, an o aumen o de esis encia a comp esión, como de densidad apa en e y educe el amaño medio de los po os. Po o a pa e, su adición no gene a un aumen o de la du eza pa a geopolíme os a pa i de ceniza olan e. Sin emba go, su aplicación en geopolíme os o mados de la mezcla ceniza olan e y Pa al, aumen a la misma de o ma signi ica i a. [112] 67 – Kuma , S.; Kuma , R.; Alex, T.C.; Bandopadhyay, A.; Meh o a, S.P. 2005. E ec o mechanically ac i a ed ly ash on he p ope ies o geopolyme cemen . In: P oceeding o he Wo ld Cong ess Geopolyme 2005. Sain -Quen in, F ancia. 113-116. 68 – Wang, K.; Shah, S.P.; Mishulo ich. 2004. E ec s o cu ing empe a u e and NaOH addi ion on hyd a ion and s eng h de elopmen o clinke - ee CKD- ly ash binde s 69 – Ko alchuck, G.; Fe nández-Jiménez, A.; Palomo, A. 2008. Alkali ac i a ed ly ash. Rela ionship be ween mechanical s eng h gains and ini ial ash chemis y. 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