Autor de contacto: e-mail: paula.rodríguez@aimen.es Año 2020

http://revista.aemac.org/ ISSN: 2531-0739 Vol 4, nº 3, pág. 52-58

S. Pintos1, L. Freire1, P. Rodríguez1, G.J.Guzmán2, J.Fernández3, J.M.Lago4 , C.Trancón5

1 Departamento de Materiales Avanzados, AIMEN Centro Tecnológico, Poligono Industrial de Cataboi SUR-PPI-2 (Sector 2) Parcela 3 36418 O Porriño (Pontevedra) España 2 CYE Control y Estudios, S.L. Polígono de la Gándara, Avda.del Mar, 123 15570 Narón (A Coruña) España

3 STROW Sistemas-Fachadas del Norte S.L. , Av.Coruña, 162 15185 Cerceda (A Coruña) España 4PROSISTEMAS, S.A. As Gándaras de Budiño, s/n 36475 O Porriño (Pontevedra) España

5 Construcciones Francisco Gómez y Cía S.L. , Lg. La Mina, s/n 15882 Touro (A Coruña) España

Geopolímeros celulares: desarrollo de hormigones ligeros ecológicos sin cemento (proyecto GEOCEL)

Historia del artículo: Recibido 7 de Junio 2019 En la versión revisada 15 de Junio 2019 Aceptado 5 de Julio 2019 Accesible online 15 de Julio de 2020

El cemento es el material de construcción más usado en el mundo (se generan unas 3670 MT/año), siendo altamente contaminante, emitiéndose aproximadamente una tonelada de CO2 por tonelada de cemento. En este sector, en el que se hace imprescindible la búsqueda de materiales más sostenibles, surgen los geopolímeros o cementos alcalinos como una alternativa más ecológica, resultando en un 80% menos contaminantes y requiriendo un 50% menos de consumo energético en su fabricación.

En el marco de esta necesidad nace el proyecto GeoCel, orientado al desarrollo de materiales de construcción ecológicos con el fin de obtener morteros y hormigones (sin cemento Portland) de estructura celular. Se han desarrollado diferentes soluciones constructivas, como son paneles de revestimiento y aislamiento, pavimentos celulares continuos y drenantes, empleando una arcilla calcinada y residuos industriales. Se ha llevado a cabo la caracterización de las diferentes soluciones mediante ensayos de resistencia mecánica, resistencia al fuego y conductividad térmica, entre otros, en base a los requisitos impuestos a nivel industrial, con el fin de evaluar la viabilidad técnica de los nuevos materiales. Los resultados obtenido s han sido positivos, consiguiendo resistencias mecánicas superiores a los materiales convencionales en el caso de los morteros, así como clasificación de reacción al fuego A1.

Palabras clave: Geopolímero Construcción Sostenible Residuo

Cell geopolymers: development of ecological light concrete without cement (GEOCEL project)

Keywords: Geopolymer Construction Sustainable Waste

Cement is the most used construction material in the world (3670 MT/year are generated), being highly polluting, emitting aproximately one ton of CO2 per ton of cement. In this sector, in which the search for more sustainable materials becomes essential, the geopolymers or alkaline cements are introduced as an ecological alternative, resulting in 80% less polluting and requiring 50% less of energy comsumption in the manufacturing process.

In this context, GeoCel project is oriented to the developing of ecological construction materials to get concretes and mortars (without Portland cement) of cellular structure. Different constructive solutions were proposed for these inovative materials as wall cladding and insulation panels and continous and draining pavements.The caracterization of the different solutions was carried out bymechanical resistance, fire resistance and thermal conductivity tests, among others, based on the requiremens imposed at the industrial level, in order to evaluate the technical viability of the new materials. The results obtained have been promising, getting mechanical strengths superior to conventional materials in case of mortars , as well as classification of reaction to fire A1.

S.Pintos et al./ Materiales Compuestos Vol 4, nº 3 53

Introducción El cemento es el material de construcción más usado en el mundo (se generan unas 3.670 MT/año) y su uso sigue creciendo considerablemente como consecuencia del desarrollo económico y el crecimiento demográfico. Sin embargo, la industria cementera se cataloga como altamente contaminante y de gran afectación ambiental. La producción de una tonelada de cemento requiere la explotación de un elevado volumen de materias primas no renovables (principalmente caliza y arcilla) y la emisión de aproximadamente una tonelada de CO2 (entre un 5-9% de las emisiones totales de CO2 son generadas por esta industria), además de otros gases nocivos como NOx y SOx, lo que impacta notablemente en el calentamiento y salubridad globales.

Por otro lado, la construcción civil es el sector de actividad tecnológica que consume mayor volumen de recursos naturales y parece ser el más indicado para recuperar los residuos sólidos en grandes cantidades con gran potencial de reciclaje por incorporación al hormigón. En éste se han venido empleando diferentes adiciones de residuos, que finalmente se han traducido en mejoras de las propiedades del material. Sin embargo, el grado de incorporación de este tipo de adiciones no supera el 20% en peso del cemento. [1][2][3]

En este contexto, se han investigado diferentes estrategias para incrementar la sostenibilidad del sector. Una de las más prometedoras, es la sustitución del cemento Portland por lo que hoy se conoce como geopolímeros. Las mezclas geopoliméricas se convierten en una alternativa viable al cemento convencional dadas sus características de material sostenible. En su mayoría pueden llegar a ser un 80% menos contaminantes y requieren un 50% menos de consumo de energía en su fabricación. Además, en su elaboración se emplean residuos industriales como cenizas de plantas termoeléctricas, escorias metalúrgicas y otras materias primas que no requieren procesamiento térmico alguno.

Este proyecto tiene como objetivo desarrollar nuevos materiales de construcción ecológicos basados en el proceso de geopolimerización, para obtener hormigones (sin cemento Portland) para distintas aplicaciones.

Las nuevas formulaciones obtenidas en el proyecto GeoCel se diseñaron a partir del empleo de metacaolín como materias primas. Dichas formulaciones se utilizaron para el desarrollo de revestimientos, aislamientos y pavimentos.

Geopolímeros Los geopolímeros son polímeros sintéticos inorgánicos formados por unidades tetraédricas de Al y Si unidas alternadamente compartiendo átomos de oxígeno formando la red sialato. Dicha red presenta una estructura con carga balanceada por la presencia de iones positivos (Na+, K+, Li+, Ca+2), para compensar la carga del Al+3 que está en coordinación tetraédrica 10. También conocidos como aluminosilicatos inorgánicos, se producen como consecuencia de la reacción química (geopolimerización o geosíntesis) entre un aluminosilicato sólido de naturaleza amorfa (precursor) y una solución acuosa de silicatos o hidróxidos alcalinos (activador o endurecedor), a temperatura ambiente o ligeramente superior, para dar un nuevo aluminosilicato alcalino sintético.

Se ha determinado que, en general, cualquier material finamente molido que esté constituido por sílice (SiO2) y alúmina (Al2O3), en estado amorfo, puede ser mezclado con una solución activante para obtener un material con características cementantes. Teniendo en cuenta esta premisa, GeoCel estudia la síntesis de geopolímeros a partir de residuos industriales.

La formulación inicial de los geopolímeros se ha basado en las reglas propuestas por Davidovits en 1970, realizando los ajustes necesarios para obtener dosificaciones óptimas[4]. En función de la composición del material de partida y de los resultados consultados en la bibliografía se ha determinado, a priori, que las relaciones más adecuadas para los productos de este trabajo serían:

SiO2/Al2O3 = 3.0 Na2O/Al2O3 = 0.55 H2O/Na2O = 13.1 Activador alcalino (NaOH/ Na2SiO3)= 3

Como principal ventaja, el geopolímero ha sido catalogado como un buen material capaz de contener residuos y desechos peligrosos. Pero los geopolímero no sólo presentan ventajas para el medio ambiente, sino que también presentan:

- Alta resistencia temprana, es decir, la capacidad de desarrollar hasta un 70% de resistencia a la compresión dentro de las cuatro primeras horas de curado a una temperatura adecuada [5].

- Baja retracción por secado, Wallah determinó que después de un año los geopolímeros presentan entre 5 y 7 veces menos retracción que el cemento corriente [6].

- Alta resistencia a los sulfatos. Estudios demuestran que después de un año en una solución al 5% en peso de sulfato de sodio la expansión en volumen alcanza 0,015%, lejos de lo que se ha visto en el cemento convencional donde después de 32 semanas en las mismas condiciones, presenta valores entre 0,035% y 0,1% [7].

- Resistencia a alta temperatura, a diferencia del cemento convencional, los geopoliméros son considerados resistentes a altas temperaturas debido a sus características cerámicas [8].

Finalmente, una potencial ventaja del geopolímero frente al convencional es su alta resistencia al ataque ácido. Davidovits señala que los geopolímeros ante un ataque ácido moderado presentan estabilidad y pérdidas de masa de entre un 5% y un 8% [9].

Figura 1. Ventajas de los hormigones geopoliméricos

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Procedimiento experimental

Diseño y fabricación del geopolímero

2.1.1 Materiales

La fabricación de conglomerantes libres de cemento Portland ordinario se basa en el mecanismo de geosíntesis, consistente en la disolución de materias primas ricas en aluminosilicatos con matriz amorfa, para luego lograr una reordenación y reestructuración, preferentemente en 3D, de aluminatos y silicatos mediante enlaces sialatos y siloxos en un medio alcalino, resultante de la mezcla de hidróxido sódico y silicato sódico.

Para este trabajo se fabriacron pastas de geopolímero utilizando caolín metacaolín de elevada pureza. El metacaolín (MK) es un silicato de aluminio deshidroxilado, de composición general 2SiO2·Al2O3 de estructura amorfa constituido por partículas laminares de elevada finura. Su estructura completamente amorfa le confiere una elevada reactividad química. Se trata de un producto con elevadas propiedades puzolánicas obtenido mediante activación térmica de caolines.

Sus propiedades se describen en esta tabla:

Tabla 1. Propiedades físicas del Metacaolín.

Figura 2. Imagen de una muestra en estado de suministro

Con el fin de aumentar la resistencia mecánica de los geopolímeros y minimizar el empleo de MK, se emplea un filler calizo obtenido de la planta de Arcos de Pol, sin salida comercial ya que es un residuo fino obtenido del procesado de áridos.

Figura 3. filler calizo (der.)

El activador alcalino es uno de los componentes esenciales para la fabricación y endurecimiento de los geopolímeros. Estos activadores se suelen introducir en la mezcla en estado líquido en forma de disolución acuosa.

Los activadores más apropiados son los que están formados por hidróxidos y sílice soluble, empleando normalmente una combinación de silicato de sodio e hidróxido de sodio o de potasio.

En este trabajo se va a utilizar hidróxido sódico (NaOH) de la marca Fischer Scientific con un 99,3% de pureza y silicato sódico (SS) de QUIMIPUR S.L al 40%.

Proceso de fabricación Se evaluaron diferentes dosificaciones teniendo en cuenta las relaciones de variables y parámetros que se muestran a continuación:

Relaciones entre materias y parámetros

Unidades Intervalos acotados

SiO2/Al2O3 Relación molar

3.0-4.5

H2O/Na2O Relación molar

10-25

Na2O/Al2O3 Relación molar

0.1-0.3

NaOH molaridad 8-14

Activador alcalino (Silicato sódico/NaOH)

Relación molar

0-3

Tabla 2. Rangos de las relaciones entre variables

Teniendo en cuenta estas relaciones, se formularon un total de 100 mezclas diferentes, con distintas combinaciones de activadores. Se analizaron y se concluyó la relación óptima para las formulaciones.

Dado que no existe una normativa específica para geopolímeros, la fabricación de las probetas se llevó a cabo de acuerdo con las etapas definidas por la norma UNE-EN 196-1 relativa a cementos y morteros. Sin embargo, se adoptaron ciertas modificaciones que el propio material requiere, como el empleo de recipientes y herramientas altamente resistentes a

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los activadores alcalinos y condiciones y tiempos de curado específicos en cada caso. En la Figura 4 se muestra un esquema general del proceso de fabricación de las probetas normalizadas:

Figura 4. Esquema del proceso de fabricación de probetas normalizadas.

Las probetas fueron desmoldadas a las 24h. El curado se llevó a cabo a temperatura ambiente, dejando las probetas cubiertas con un film transparente para evitar la rápida evaporación del agua y, en consecuencia, un agrietamiento del geopolímero.

Las probetas fueron caracterizadas y se seleccionó la formulación más apropiada para cada caso de uso, tal y como se indica a continuación.

Figura 5. Probetas normalizadas.

Caracterización y análisis Una vez realizadas las diferentes mezclas, se llevó a cabo una batería de ensayos para determinar las características físicas y mecánicas de cada una de las formulaciones propuestas y seleccionar la que presente las propiedades óptimas para cada una de las aplicaciones finales.

2.3.1 Resistencia a flexión y compresión

La principal característica que deben cumplir estos nuevos materiales es la resistencia mecánica tras el tiempo de curado. Por ello, se utiliza como referencia los valores del CEM I Portland tradicional (32.5 R) con el fin de validar el producto final. Los ensayos de resistencia mecánica se realizaron a la edad de 7 y 28 días desde la fecha de fabricación de las probetas, realizándose también en algunos casos a 56 días, con el fin de comprobar si se producía un aumento de la resistencia a edades mayores. La caracterización se llevó a cabo siguiendo la norma UNE EN 1015-11 “

2.3.2 Absorción de agua

En el caso de los paneles de revestimiento, otro factor importante a tener en cuenta para la selección del material es

la absorción de agua, que se estudiará en base a la norma UNE-EN 14617- 1

2.3.3 Densidad

Siguiendo la norma UNE-EN 12390-7, se determinó la densidad de las muestras. Con el fin de definir la masa de las probetas, éstas se secaron en estufa a (70 ± 5) °C durante 7 h. Una vez transcurrido este tiempo, se introducen en un desecador a vacío hasta alcanzar temperatura ambiente, momento en que se realiza la pesada.

El valor de densidad obtenido se denomina está relacionado con el cociente entre la masa y el volumen del sólido incluyendo poros cerrados y poros abiertos.

2.3.4 Conductividad térmica

Se empleó el sistema de medición de conductividad térmica de materiales sólidos conductores, basado en un flujo de calor en estado estacionario. Este método se basa en los mecanismos de conducción en sólidos, siguiendo la ley de Fourier, para sistemas unidimensionales de tamaño finito, en el caso de una lámina de espesor h que se pueda considerar infinitamente extensa [10].

2.3.5 Resistencia al fuego

Se realizaron ensayos siguiendo las normas UNE EN ISO 1182:2011 y UNE-EN ISO 1716:2011 Capacidad portante

Como verificación de la capacidad portante del material extendido se realiza un ensayo de carga con placa según UNE 103808, a la edad de 14 días.

2.3.6 Humedad y compactación

Este control de la compactación se realiza en base a la Norma UNE 103900 “Resultados y discusión

En este trabajo se presentan tres casos de estudio en los que se plantea la utilización de geopolímero:

Paneles de revestimiento Paneles aislantes Pavimentos

2.3.7 Paneles de revestimiento

Las formulaciones seleccionadas para este caso se basan en la adición de un 20% de residuo (filler calizo) al metacaolín (MK). Las propiedades de esta formulación se muestran en la Tabla 1.

Para la fabricación de este panel de revestimiento se diseña un molde de acero con dimensiones 1200 x 600 x 40 mm3.

Figura 6. Diseño 3D del molde diseñado para el panel de revestimiento.

La formulación de geopolímero empleada para la fabricación del panel se muestra en la, Tabla 2.

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Material Cantidad para fabricar los paneles de revestimiento (Kg/m3)

Metacaolín 395,1

Filler calizo 98,3

Activador 359,4

Agua 38,5

Activador Cantidad para fabricar los paneles de revestimiento

(Kg/m3)

Silicato sódico (40%) 234

NaOH (95%) 41,3

Agua 84,4 Tabla 3. Dosificación de geopolímero para fabricar los paneles de

revestimiento.

Ensayo Valor

Resistencia a flexión (MPa) 0,8

Resistencia a compresión (Mpa) 5,5±0,42

Absorción de agua (%) 40,9

Densidad (Kg/m3) 1460±10

Conductividad térmica (W/mK) 0,451±0,004

Resistencia al fuego A1 Tabla 4. Propiedades del panel final.

Figura 7. Aspecto del panel final.

2.3.8 Paneles aislantes

Para los paneles aislantes se partió de la formulación óptima para los paneles de revestimiento adicionándole como aireante un 1,5% de peróxido de hidrógeno al polvo (MK + Filler), con el fin de conseguir un material poroso. Se realizaron ensayos mecánicos, medidas de densidad y determinación de la conductividad térmica.

Para la fabricación del panel de aislamiento, se diseña un molde rectangular de acero de 1200 x 600 x 50 mm3.

Figura 8. Molde empleado en la fabricación del panel de aislamiento.

La formulación de geopolímero empleada en la fabricación del panel se muestra en la Tabla 3 y las características del mismo se resumen en la Tabla 4.

Material Cantidad para fabricar los paneles de aislamiento (Kg/m3)

Metacaolín 384,7

Filler calizo 95

Activador 350

Agua 30

H2O2 6

Activador Cantidad para fabricar los paneles de aislamiento (Kg/m3)

Silicato sódico (40%) 227,8

NaOH (95%) 40,3

Agua 82,2 Tabla 5. Dosificación de geopolímero para fabricar un panel de

aislamiento.

Tabla 6. Propiedades del panel final.

Ensayo Valor

Resistencia a flexión (MPa) 0,5

Resistencia a compresión (MPa) 17±0,13

Absorción de agua (%) 53

Densidad (Kg/m3) 770±10

Conductividad térmica (W/mK) 0,085±0,001

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Figura 9. Aspecto del panel de aislamiento final.

2.3.9 Pavimentos

Dentro de esta aplicación se desarrollaron dos tipos de pavimentos;

Pavimentos celulares continuos Pavimentos celulares drenantes

2.3.9.1 Pavimentos celulares continuos

Para el desarrollo de pavimentos celulares continuos se selecciona, la dosificación óptima de suelo cemento formado exclusivamente por geopolímero y áridos. Además, se fabrica un demostrador de suelo cemento convencional con el fin de comparar los resultados con los del nuevo material.

Material Cantidad para fabricar un panel (Kg/m3)

Metacaolín 280

Arena Granito 500

Arena Calizo 240

Gravilla 290

Grava 760

Activador 224

Agua 70 Tabla 7. Dosificación de geopolímero para fabricar pavimentos

celulares continuos.

Ensayo Valor

Resistencia a flexión a 28 días (MPa) 5

Resistencia a compresión a 7 días (MPa) 16

Resistencia a compresión a 28 días (MPa) 18

Densidad (Kg/m3) 2270±10

Tabla 8. Propiedades de los pavimentos celulares continuos.

2.3.9.2 Pavimentos celulares drenantes

Al igual que en el caso de los pavimentos celulares continuos, para el desarrollo de pavimentos celulares drenantes se selecciona la formulación adecuada formada únicamente por MK y árido.

Material Cantidad para fabricar los pavimentos celulares drenantes

(Kg/m3)

Metacaolín 100

Zahorra 1713,6

Activador 80,4

Agua 106

Activador Cantidad para fabricar los pavimentos celulares

drenantes (Kg/m3)

Silicato sódico (40%) 53,3

NaOH (95%) 11

Agua 16,1

Tabla 9. Dosificación de geopolímero para los pavimentos celulares drenantes.

De forma paralela a la fabricación de los demostradores, se fabricaron probetas cilíndricas de dimensiones 152.4 x 177.8 mm2 para los posteriores ensayos a compresión de las mezclas a distintas edades de curado

Figura 10. Probetas cilíndricas para ensayos mecánicos (arriba) y pavimento celular drenante final (abajo).

Una vez alcanzada la compactación, los tramos se cubren con plásticos hasta transcurridos 14 días del extendido para evitar evaporaciones bruscas de agua y favorecer el fraguado/curado.

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Pasados los 14 días, se lleva a cabo la caracterización de los mismos. El procedimiento es el mismo para las probetas cilíndricas, aunque estas han sido ensayadas a 7 días.

Tabla 10. Propiedades de los pavimentos celulares drenantes

Conclusiones

Tras llevar a cabo la caracterización de las soluciones planteadas para revestimiento, aislamiento y pavimentos, se extraen las siguientes conclusiones:

En cuanto al panel de revestimiento se determinó la densidad del panel y se comparó con un mortero convencional, resultando en una mayor ligereza del primero (1460 frente a 2000 Kg/m3). También se realizaron medidas de conductividad térmica, obteniendo un valor inferior a los demás materiales considerados como referencia. Por último, se realizaron ensayos de resistencia al fuego, obteniendo la clasificación A1, requerida para los materiales de construcción.

Si se analizan las propiedades del panel de aislamiento construido con geopolímero se obtiene que presenta una densidad de 770 Kg/m3 y una conductividad térmica de 0.085 W/mK.

Por último, se analizaron las propiedades de los dos pavimentos formados por hormigones celulares.

En primer lugar, para los pavimentos celulares continuos las resistencias mecánicas que presentan disminuyen en el pavimento formado con geopolímero frente a su homólogo de cemento tanto en resistencia a compresión como a flexotracción. En cuanto a la absorción de energía está es mayor en el hormigón convencional debido a sus elevadas propiedades mecánicas. Se realizaron también pruebas de ataque por ácidos, donde se demostró un mejor comportamiento de la matriz geopolimérica. Por último, se realizó un seguimiento de la retracción de algunos de los pavimentos, de los que se extrajo un resultado positivo de la incorporación del geopolímero en el hormigón.

En segundo lugar, los pavimentos celulares drenantes se aprecia una dificultad en la dosificación de agua debido a la

humedad natural del material y la naturaleza líquida del activador se hace complicado definir la dosificación de agua necesaria para que las condiciones sean similares a las del suelo cemento convencional. La resistencia a compresión obtenida para este pavimento cumpliría especificaciones de suelo estabilizado tipo 3. Se comprueba que la compactación del pavimento con geopolímero es más rápida que la del material con cemento, necesitando un número inferior de pasadas de plancha para conseguir la compactación del 98% fijado por norma. La capacidad portante es mayor para el material con cemento que para el geopolimérico, aunque ambos cumplirían especificaciones para una categoría de explanada E2. Por último, la permeabilidad del pavimento con geopolímero es superior a la permeabilidad del material con cemento.

Agradecimientos

Se agradece la ayuda mostrada por la “Axencia Galega de Innovación” y el Ministerio de Economía y Competitividad en el marco de la Estrategia Española de Innovación en Galicia, para la ejecución de la presente investigación en el marco del proyecto GEOCEL (IN852A 2016/117).

Referencias

[1] A.M. Neville, Properties of concrete, Longman, Harlow, GB (1995)

[2] J. Sousa, Cem. Concr. Compos. 25 (2003) 51

[3] J. Yajun y co., Cem. Concr. Res. 33 (2003) 1543 [4] Davidovits J., Emerging Technologies Symposium on Cement and Concretes in the Gobal Environment. Chicago (1993)

[5] Davidovits, J., First International Conference on Alkaline Cements and Concretes (1994)131

[6] Wallah, S. E., Modern Applied Science, 3 (2009) 12

[7] Wallah, S.E., col. Research Report GC2, Faculty of Engineering, Curtin University of Technology (2006)

[8] Wee, T. H., col, ACI Materials Journal, 97(5) 536

[9] Davidovits, J., Journal of Thermal Analysis, 37 (8) (1991) 1633

[10] L.Lira-Cortés , E.Mendez-Lago. Medición de la conductividad térmica de materiales aislantes en CENAM (2007).

Ensayo Valor

Resistencia a flexión (MPa) 0,5

Humedad (%) 9.55±0.06

Capacidad portante (Mpa) 2,05

Densidad (Kg/m3) 2,12±0,04

Resistencia a compresión (Mpa) 2,4±0,06

Compactación (%) 96,5±1,8