“SÍNTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ... · SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES ii ... ataque de sulfatos

“SÍNTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE

ALUMINOSILICATOS MINERALES”

Tesis que como Requisito para obtener el Grado de Doctor en Ciencias de Materiales presenta:

M.C. CLAUDIA IVETTE VILLA GARCÍA

DIRECTORES:

Dra. Emma Teresa Pecina Treviño

Dr. Erasmo Orrantia Borunda

Chihuahua, Chih., a 22 de Agosto de 2013

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS, S.C.

POSGRADO

DEDICATORIA

A Dios, por darme la oportunidad de poder capacitarme y desarrollarme académicamente en

el área de la investigación, y lograr ser una persona de bien.

A mi esposo Oswlado Barrera Hernández, por brindarme su apoyo incondicional durante

mi formación profesional.

A mis padres, Armando Villa González y Elena García Corona, por su tiempo dedicado

y porque gracias a ellos logré llegar hasta donde ahora me encuentro, por sus enseñanzas y su

gran amor.

A mis hijos, Ryan y Astrid, por el amor incondicional y por todos los momentos de ausencia.

AGRADECIMIENTOS

Al Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C., le agradezco la

oportunidad brindada para el logro de esta tesis.

A mi Directora de tesis, Dra. Emma Teresa Pecina Treviño, agradezco su

confianza, consejos y sobre todo su valiosa aportación en el desarrollo de

este proyecto, porque sin su apoyo no se hubiera logrado.

A mi Director Dr. Erasmo Orrantia Borunda, por su confianza y apoyo durante

el desarrollo del proyecto.

A Conacyt, por la beca otorgada para lograr realizar el proyecto de

Doctorado.

Y a todas las personas que directa e indirectamente me apoyaron durante

todo el tiempo de mi estancia en CIMAV.

SINTESIS DE GEOPOLÍMEROS EMPLEANDO ACTIVACIÓN ALCALINA DE ALUMINOSILICATOS MINERALES

i

ÍNDICE

RESUMEN .......................................................................................................... 1

ABSTRACT ......................................................................................................... 3

CAPÍTULO I ........................................................................................................ 5

INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 5

CAPÍTULO II ....................................................................................................... 8

ANTECEDENTES ............................................................................................... 8

2.1 Historia y Desarrollo ...................................................................................... 8

2.2 Geopolímeros ................................................................................................ 9

2.2.1 Definición ................................................................................................... 9

2.2.2 Clasificación química y nomenclatura ..................................................... 10

2.2.3 Síntesis ................................................................................................... 14

2.2.4 Efecto del tipo de catión alcalino .............................................................. 16

2.2.5 Materias primas utilizadas en la síntesis de geopolímeros ...................... 17

2.2.6 Variables principales que influyen sobre las propiedades de geopolímeros

.......................................................................................................................... 19

2.2.6.1 Contenido de agua ................................................................................ 19

2.2.6.2 Temperatura de curado ......................................................................... 19

2.2.6.3 Tiempo de curado ................................................................................. 20

2.2.6.4 Composición química ............................................................................ 20

2.2.7 Propiedades físicas y químicas de geopolímeros .................................... 21

2.2.7.1 Resistencia Mecánica ........................................................................... 22

2.2.7.2 Resistencia al ataque químico .............................................................. 23

2.2.7.3 Resistencia al ataque de sulfatos ........................................... 24

2.2.7.4 Técnicas de caracterización utilizadas en la obtención de

geopolímeros. 25

2.2.8 Materias Primas (aluminosilicatos) de interés .......................................... 27


ii

2.2.8.1 Zeolitas 27

CAPÍTULO III .................................................................................................... 30

HIPÓTESIS ....................................................................................................... 30

CAPÍTULO IV .................................................................................................... 31

PROPUESTA Y ORIGINALIDAD ...................................................................... 31

CAPÍTULO V ..................................................................................................... 32

OBJETIVOS ...................................................................................................... 32

Objetivo general ................................................................................................ 32

Objetivos particulares ........................................................................................ 32

CAPÍTULO VI .................................................................................................... 33

METAS .............................................................................................................. 33

CAPÍTULO VII ................................................................................................... 34

METODOLOGIA EXPERIMENTAL ................................................................... 34

7.1 Materiales .................................................................................................... 34

7.2 Preparación de la solución activante ........................................................... 36

7.3 Preparación de las pastas geopoliméricas .................................................. 37

7.4 Caracterización de los sistemas geopoliméricos ......................................... 40

CAPÍTULO VIII .................................................................................................. 42

RESULTADOS Y DISCUSIÓN .......................................................................... 42

8.1 Resistencia a la compresión ....................................................................... 44

8.1.1 Solución HN 7M ....................................................................................... 44

8.1.2 Solución HN 10M ..................................................................................... 49

8.1.3 Solución HN 14M ..................................................................................... 52

8.2 Difracción de Rayos-X ............................................................................... 57

8.3 Espectroscopia por Infrarrojo (IR) .............................................................. 63


iii

8.4 Microscopía Electrónica de Barrido ............................................................ 69

8.5 Microanálisis .............................................................................................. 72

CAPÍTULO IX .................................................................................................... 85

MECANISMO DE REACCIÓN PROPUESTO ................................................... 85

CAPÍTULO X ..................................................................................................... 89

RESISTENCIA A SULFATOS ........................................................................... 89

9.1 Metodología Experimental.......................................................................... 89

9.1.1 Preparación de las soluciones de sulfato ................................................. 89

9.1.2 Preparación de muestras para el ataque con sulfatos ............................. 89

9.1.3 Caracterización de geopolímeros en ambiente de sulfatos ...................... 90

9.2 Resultados y discusión............................................................................... 90

9.2.1 Reducción en la resistencia a la compresión ........................................... 91

9.2.2 Difracción de Rayos-X............................................................................. 96

9.3.3 Espectroscopía por Infrarrojo (IR) ........................................................... 97

CAPÍTULO XI .................................................................................................. 100

CONCLUSIONES ........................................................................................... 100

REFERENCIAS ............................................................................................... 103

APÉNDICE..…………………………………………………………………………108


iv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Coordinación dimensional de Si descrita por la notación de Engelhardt Qn(mAl).

.......................................................................................................................... 13

Figura 2. Estructura del geopolímero Na-PS2 .................................................................... 15

Figura 3. Modelo estructural propuesto para un geopolímero del tipo K-PSS2 .................. 16

Figura 4. Estructura de una zeolita .................................................................................... 27

Figura 5. Muestra de una zeolita ........................................................................................ 27

Figura 6. Diagrama de flujo de la preparación de las pastas geopolimérias ...................... 39

Figura 7. DRX de la Zeolita ................................................................................................ 43

Figura 8. Caracterización de la zeolita natural MEB-EDS. a) Microfotografía de la zeolita

natural MEB; b) Caracterización química por EDS de la muestra en general. .. 43

Figura 9. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 7M a diferentes Relaciones

del activador y temperaturas de curado ............................................................ 46

Figura 10. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 10M a diferentes

Relaciones del activador y temperaturas de curado ......................................... 51

Figura 11. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 14M a diferentes

Relaciones del activador y temperaturas de curado. ........................................ 54

Figura 12. Resistencia a la compresión del geopolímero formado preparado con HN 7M,

10M y 14M, a una temperatura de curado de 40°C, en comparación con la

resistencia del cemento portland comercial. ..................................................... 56

Figura 13. Efecto de la relación del activador en las principales fases presentes.

Heulandita (17°2θ), Calcita (40°2 θ) y clinoptilolita (10°2 θ). Los datos

corresponden al geopolímero con los mejores resultados de Resistencia a la

compresión (40°C -28 días de curado) ............................................................. 58

Figura 14. Efecto del tiempo de curado en las principales fases presentes. Heulandita

(17°2θ), Calcita (40°2 θ) y clinoptilolita (10°2 θ). Los datos corresponden al

geopolímero con los mejores resultados de Resistencia a la compresión (40°C -

28 días de curado) ............................................................................................ 59

Figura 15. Difractogramas de rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN

10M, curados a una temperatura de 40°C con relación del activador 0.4. ........ 60


v

Figura 16. Difractogramas de Rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN

10M, curados a una temperatura de 40°C, con relación del activador 1.5. ....... 61

Figura 17. Difractogramas de Rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN

10M, curados a una temperatura de 40°C, con relación del activador 15. ........ 62

Figura 18. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 24 horas. con diferentes

relaciones de activador. ................................................................................... 65

Figura 19. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 7 días con diferentes

relaciones de activador. .................................................................................... 65



Figura 21. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 28días con diferentes




Figura 23. Caracterización de la zeolita activada (geopolímero). a) Microfotografía del

geopolímero; b) Caracterización química por EDS de los productos de reacción

(X); c) Caracterización química por EDS del área oscura de la fotografía (Y) .. 70


geopolímero; b) Caracterización química por EDS de la zona lisa (X); c)

Caracterización química por EDS del zona rugosa de la fotografía (Y) ............ 71


geopolímero; b) Caracterización química por EDS de los productos de reacción

(X); c) Caracterización química por EDS de los productos de reacción fotografía

(Y). .................................................................................................................... 72

Figura 26. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del

activador de 0.4 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados e la forma de

relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b). ............................................. 73


activador de 0.4 a un tiempo de curado de 7 días, graficados e la forma de



vi








activador de 1.5 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados e la forma de












activador de 15 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados e la forma de



activador de 15 a un tiempo de curado de 7 días, graficados e la forma de








Figura 38. Desililicación alcalina de zeolita36 ..................................................................... 86


vii

Figura 39. Lixiviación del aluminio debido a la desilicación básica mediante NaOH. ........ 86

Figura 40. Lixiviación de aluminio debido a la dealuminación alcalina (Groen, 2007). ...... 87

Figura 41. Evolución de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP, inmerso en

una solución al 5% de Na2SO4. ......................................................................... 93

Figura 42. Evolución de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP, inmerso en

una solución al 5% de MgSO4. .......................................................................... 93

Figura 43. Reducción de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP sujeto a

ataque de sulfatos inmerso en una solución al 5% de Na2SO4. ........................ 94

Figura 44. Reducción de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP sujeto a

ataque de sulfatos inmerso en una solución al 5% de MgSO4. ......................... 95

Figura 45. Espectros de DRX del geopolímero formado y CP inmersos durante 6 meses en

soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4. E-Etringita, C-Clinoptilolita, Ca-

Calcita, S-Sílica, H-Heulandita. ......................................................................... 97

Figura 46. Espectros de FTIR del geopolímero formado y CP inmersos durante 6 meses

en soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4. ............................................ 98

Figura 47. Espectros de FTIR con aumento, del geopolímero formado y CP inmersos

durante 6 meses en soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4. ................ 99


viii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Historia bibliográfica de cementos activados de forma alcalina ......................... 11

Tabla 2. Clasificación y uso de geopolímeros. ................................................................. 12

Tabla 3. Composición elemental y propiedades físicas de los minerales alumino-silicatos

seleccionados. .................................................................................................. 18

Tabla 4. Aplicaciones de los geopolímeros para diferentes relaciones Si-Al ................... 22

Tabla 5. Datos de resistencia mecánica de geopolímeros reportados por diferentes

autores .............................................................................................................. 23

Tabla 6. Dosificación de las mezclas para cada relación del activador utilizado. ............ 36

Tabla 7. Porcentajes en peso de Na2O y H2O en las soluciones activadoras. ................. 37

Tabla 8. Análisis químico de la Zeolita ............................................................................. 42

Tabla 9. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y

una relación activadora (SN/HN) de 0.4. .......................................................... 44


una relación activadora (SN/HN) de 1.5. .......................................................... 44


una relación activadora (SN/HN) de 5. ............................................................. 45


una relación activadora (SN/HN) de 10. ........................................................... 45


una relación activadora (SN/HN) de 15. ........................................................... 45

Tabla 14. Resistencia a la compresión del cemento. ....................................................... 45

Tabla 15. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 10M

y una relación activadora (SN/HN) de 0.4. ....................................................... 49




y una relación activadora (SN/HN) de 5. .......................................................... 50


y una relación activadora (SN/HN) de 10. ........................................................ 50


ix








y una relación activadora (SN/HN) de 5. .......................................................... 53





Tabla 25. Porcentajes de fases presentes en los geopolímeros preparados con HN 10M y

relación de activador de 0.4, a diferentes tiempos de curado. .......................... 61


relación de activador de 1.5, a diferentes tiempos de curado. .......................... 62


relación de activador de 15, a diferentes tiempos de curado. ........................... 63

Tabla 28. Vibraciones principales presentes en materiales geopoliméricos .................... 64

Tabla 29. Reducción de la resistencia a la compresión del CP y Zeolita natural ante un

ambiente de Na2SO4. ........................................................................................ 92

Tabla 30. Reducción de la resistencia a la compresión del CP y Zeolita natural ante un

ambiente de MgSO4. ......................................................................................... 92


x

NOMENCLATURA

CP Cemento Pórtland

C Óxido de calcio (CaO)

S Sílice (SiO2)

H Agua (H2O)

C-S-H Slicato de Calcio Hidratado sin estequiometría definida

NMR Resonancia Magnética Nuclear

EELS Espectroscopia de Pérdida de Energía de Electrones

MK Metacaolín

XRD Difracción de Rayos X

FTIR Espectroscopia de infrarrojo

EDS Espectroscopia por dispersión de energía

SN Silicato de Sodio

HN Hidróxido de Sodio

Me Metal alcalino

A Al2O3

N Na2O

S/A Relación molar SiO2/ Al2O3

N/A Relación molar Na2O/ Al2O3

H/N Relación molar H2O/Na2O

N/S Relación molar Na2O/SiO2

CV Ceniza Volante

AAS Escorias activadas por álcalis


1

RESUMEN

En la actualidad, el concreto a base de cemento Portland (CP) es el material de

construcción más ampliamente utilizado. Uno de los aspectos negativos de este

material se origina durante la producción del CP, debido a la generación de CO2

que se libera a la atmósfera por la calcinación de la materia prima y el consumo

de combustibles. Una de las alternativas para reemplazar el CP está representada

por la síntesis de geopolímeros a base de aluminosilicatos minerales. Los

geopolímeros se consideran seriamente como el material del futuro, por su bajo

impacto ecológico y alto rendimiento relativo al consumo de materias primas,

además de que la producción de éstos, originan la reducción de hasta un 86% de

las emisiones de CO2.

Con el objetivo de determinar las condiciones óptimas para generar un material

con resistencia a la compresión equiparable a la generada por el cemento

Portland, se efectuó la geopolimerización de la zeolita, empleando soluciones de

Hidróxido de Sodio y Silicato de Sodio, los geopolímeros son una fase amorfa

metaestable de zeolitas, se evaluaron diferentes relaciones de silicato de

sodio/hidróxido de sodio (R=0.4, 1.5, 5, 10 y 15), la concentración de hidróxido de

sodio (7, 10 y 14 M) y la temperatura de curado (25°C, 40°C, 60°C y 80°C). Las

pastas preparadas de acuerdo a la combinación de las variables señaladas fueron

vaciadas en moldes cúbicos de 5 x 5 x 5 cm y se sometieron a tiempos de curado

de 1, 7, 14, 28 y 90 días, al finalizar, se ensayaron las muestras para determinar la

resistencia a la compresión. Como base de comparación se preparó concreto

empleando CP comercial y arena estándar de acuerdo a las características

definidas por las Normatividad ASTM (ASTM 2005(a) y 2005 (b); ASTM 2006.

Los resultados obtenidos demostraron que el aumento en la relación del activador

(SN/HN), al igual que el tiempo de curado, favorecen la resistencia mecánica del

geopolímero, sin embargo, temperaturas de curado de 80°C, y tiempos de curado

mayores a 90 días, ya no presentan desarrollo de la resistencia mecánica del


2

geopolímero. Las mejores propiedades se obtuvieron utilizando la solución de HN

10M, con una relación de solución activadora (SN/HN) de 1.5, a una temperatura

de curado de 40°C, obteniéndose mayores valores de resistencia a la compresión

que el CP hasta en un 30%. Adicionalmente, los geopolímeros formados se

prepararon nuevamente con el objetivo de determinar la durabilidad de los mismos

en un ambiente de sulfatos. Dos tipos de sulfatos fueron utilizados para determinar

la resistencia de la zeolita natural con ataque de sulfatos en soluciones de 5% de

sulfato de sodio y 5% de sulfato de magnesio. Después de seis meses de

exposición en soluciones de sulfatos la resistencia decreció alrededor de 21%

para el geopolímero y 31%para el CP en ambiente de sulfato de sodio, y la

reducción en resistencia en un ambiente de solución de sulfato de magnesio fue

de 26% para el geopolímero y 39% para el CP. Las muestras de CP expuestas a

soluciones de sulfato de magnesio presentaron expansión y grietas en la

superficie, mientras que las muestras de geopolímero no presentaron expansión.


3

ABSTRACT

Currently concrete is the most widely used construction material. One of the

negative aspects of cement production is the generation of CO2 through calcination

of raw material and fuel consumption. One of the alternatives for replacing PC is

the synthesis of geopolymers based on aluminum silicate minerals. Geopolymers

have been considered as materials from the future, their low environmental impact

and high performance relative to the consumption of raw materials, in addition to

their production, cause a reduction of up to 86% of CO2 emissions.

Optimal conditions for generating a material with compressive strength at least

equal to that generated by the PC materials were determined. Zeolite

polymerization was carried out using solutions of sodium hydroxide and sodium

silicate, geopolymers are metastable phase of an amorphous zeolites, To meet this

objective, various relations of sodium silicate/sodium hydroxide (R = 0.4, 1.5, 5, 10

and 15), the concentration of sodium hydroxide (7, 10 and 14 M), and the curing

temperature (25 ° C, 40 ° C, 60 ° C and 80 ° C) were evaluated. The resultant

material prepared according to the combination of the target variables were poured

into 5X5X5 cm cubic molds, and subjected to curing times of 1, 7, 14, 28 and 90

days, at the end, the samples were tested for resistance to compression. For

comparison, concrete was prepared using commercial PC and standard sand

according to the characteristics defined by the standard procedures of ASTM

(ASTM 2005 (a) and 2005 (b) ASTM 2006.

The results showed that increasing the ratio of the activator (SN/HN) as well as the

curing time favor the strength of the geopolymer, however, curing temperatures of

80 ° C, and cure times over a 90 day, no present development of the mechanical

strength. The best properties were obtained using HN 10M solution with an

activator solution ratio (SN / HN) of 1.5, at a curing temperature of 40°C, yielding

higher values of resistance to compression up to the PC 30%. Additionally, the


4

newly prepared geopolymer is formed in order to determine the durability of the

same in an atmosphere of sulfates. Two types of sulfates were used to determine

the resistance of the natural zeolite to sulfate attack, in 5% solution of sodium or

magnesium sulfate. Mechanical strength was evaluated as a function of time and

the results were related to the microstructural changes. After 6 months of exposure

in sodium sulfate environment the geopolymer and Portland cement (PC) strength

have decreased about 21% and 31%, respectively. The strength reductions were

26% and 39% for geopolymer and PC, respectively. PC samples exposed to

magnesium sulfate solutions revealed expansion and cracks on their surface, while

geopolymer samples did not show any expansion.


5

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

Entre los materiales considerados como los cementos del futuro están los

GEOPOLÍMEROS, cuyo desarrollo surgió a finales de los años 70 desarrollados

por J. Davidovits1. Estos materiales se elaboran con materias primas naturales o

desechos industriales de composición tipo silicoaluminato. Los productos

geopoliméricos consisten de una red silicoaluminosa tridimensional de tetraedros

de SiO2 y Al2O3 ligados alternativamente compartiendo oxígenos. La fórmula

empírica es Mn{-(SiO2)z-AlO2}n,wH2O, donde M= K+, Na+, Ca++, n es el grado de

policondensación y z = 1,2 3 que indica el número de enlaces siloxano.

Los materiales poliméricos inorgánicos (geopolímeros) han tenido un fuerte

impulso en los últimos 15 años por diversos grupos de investigación. El concreto a

base de cemento Portland (CP) es el material de construcción más ampliamente

utilizado a nivel mundial, dado que es más económico (comparado con metales y

otros materiales). Sin embargo por cada kilogramo de cemento, se emite otro de

CO2 a la atmósfera debido a la calcinación de la materia prima y al uso de

combustibles. Con el crecimiento demográfico y la industrialización, se estima que

para el 2015 la contaminación generada por la producción del cemento

representará el 17% de la emisión mundial de CO2 (actualmente es alrededor del

7%).

La literatura presenta un análisis comparativo desde la perspectiva de rendimiento

de materiales. Para el CP, en su fase principal, se tienen 3 moles de CaO por 1

mol de SiO4; mientras que para los geopolímeros sialato-siloxo se tienen 1 mol

Na2O por 6 moles de SiO4. Sobre esta base molecular se puede calcular que:

Por 100 g de CaO (materia prima de CP) se obtienen 155 gramos de

cemento (ó 310 gramos de cemento reemplazado en 50% en peso con algún

material puzolánico).


6

Por 100g de Na2O se obtienen entre 990-2475 g de cementos geopolimérico

de diversos tipos.

Lo anterior indica que, sobre la misma base de 100 g del óxido correspondiente,

se genera 3 veces más cemento mediante geopolimerización que por la

producción convencional de CP.

Desde la perspectiva de conservación ambiental, asumiendo que los óxidos Na2O

y CaO provienen de los carbonatos de Na2CO3 y CaCO3 (para CP), para una base

de 100g de CO2 emitido por calcinación a la atmósfera es posible estimar que:

Se generan: 179 gramos de cemento (ó 358 de reemplazado en 50% en peso

con algún material puzolánico)

Se generan entre 1,277 y 3,192 kg de cemento geopolimérico de diversos

tipos.

Lo anterior indica que la producción de cemento mediante geopolimerización,

tomando el nivel de producción más bajo (1277 kg), origina la reducción en un

86% de las emisiones de CO2.

Estas estadísticas hacen considerar seriamente a los geopolímeros como un

material del futuro por su bajo impacto ecológico y alto rendimiento relativo al

consumo de materias primas.

En paralelo a las ventajas ecológicas que puede representar el uso de

geopolímeros, están las propiedades tecnológicas. Mediante la determinación de

las formulaciones químicas adecuadas, es posible obtener propiedades mecánicas

dependientes de la temperatura de curado. Por ejemplo, algunos reportes indican

que durante las primeras 10 horas es posible obtener resistencias mínimas de 6

MPa a temperatura ambiente, y de 34MPa a 85°C; después de 24 horas las

resistencias pueden alcanzar hasta 65MPa. Otras propiedades atribuidas a los


7

geopolímeros son alta durabilidad química, gran dureza, resistencia a altas

temperaturas, excelente acabado, etc. Cabe aclarar que las propiedades varían

también en función de las características físicas y químicas de las materias primas

empleadas en su formulación. La gran abundancia de aluminosilicatos genera un

amplio campo de desarrollo para los geopolímeros, razón por la cuál es necesario

caracterizar las materias primas que se tengan disponibles y desarrollar

formulaciones químicas que optimicen las propiedades de explotación deseadas.

Lo anterior, solo puede lograrse mediante investigaciones a nivel laboratorio, antes

de efectuar las pruebas de campo, donde las aplicaciones pueden ser muy

extensas como concretos, recubrimientos resistentes al ataque químico,

recubrimientos impermeables, tejas, pisos y refractarios.

A pesar de que la mayor parte del desarrollo de los materiales cementantes

químicamente activados se ha efectuado empleando escorias, existe un interés

considerable en la evaluación de otros materiales silicoaluminosos (Al-Si). Este

interés es compartido por la industria minera, debido a las grandes extensiones de

yacimientos de materiales silicoaluminosos en nuestro país y la búsqueda de

nuevos mercados y productos para su aplicación1.


8

CAPÍTULO II

ANTECEDENTES

2.1 Historia y Desarrollo

El término geopolímero fue primero introducido al mundo químico por Davidovits a

mediados de los 70´s. Davidovits definió a la geosíntesis como la ciencia de la

industria de la piedra artificial producida a una temperatura por debajo de 100°C

para obtener características naturales. De esta forma, los geopolímeros son vistos

como un mineral polimérico resultado de geoquímica o geosíntesis2. En particular

algunas investigaciones de Davidovits han mejorado las características químicas y

mecánicas de productos geopoliméricos, quien, también ha identificado una gran

variedad de aplicaciones industriales para esos productos. Los geopolímeros

pueden ser utilizados en la manufactura de concretos estructurales o elementos

no estructurales cubriendo una amplia variedad de usos y aplicaciones2.

Aun cuando el término “material geopolimérico” fue acuñado recientemente, el uso

de activadores alcalinos para estimular las propiedades puzolánicas de los

materiales tiene una larga historia, de hecho, las fechas iniciales de su aplicación

corresponden por lo menos al tiempo de “Nabucodonozor”. Se han encontrado

ladrillos en la ciudad de Ur. de Chaldeess producidos por una mezcla de cal y

cenizas. Malinowsky, Langton y Roy3, observaron la durabilidad de construcciones

antiguas en Italia, Grecia, Chipre, y Egipto, demostrando que morteros y

concretos antiguos han permanecido estables bajo condiciones severas de

corrosión durante 2000 años, mientras que un concreto de CP moderno puede ser

esencialmente destruido después de tan sólo 10 años. Langton y Roy también

encontraron aluminosilicatos de sodio hidratado (analcita) en morteros y concretos

de cemento puzolánico romano. La presencia de zeolita en diferentes cementos

antiguos sugiere que este mineral es una fase final y estable de conversión de

largo plazo, que parte de fases primarias constituyentes similares a la zeolita, y

que favorece el incremento de la durabilidad de los cementos.


9

En la época moderna, los cementos activados de forma alcalina han sido

comercializados bajo la marca Pyrament, cemento tipo F en Finlandia y los

“geocementos” de Ucrania4. La mayor parte del trabajo sobre cementos alcalinos

corresponde a la activación de escorias granuladas de alto horno por álcalis (Ver

Tabla 1). Tales escorias con la adición de una fuente de álcali se llevan al sistema

Me2O-MeO-Me2O3-SiO2-H2O y son definidos como materiales híbridos, es decir,

se encuentran entre cementos "activados por álcalis" y "alcalinos". El término

"activado por álcalis" es empleado debido a que los iones R+ (cationes alcalinos)

actúan como catalizadores en el periodo inicial de la activación, en periodos

posteriores se combinan en estructuras similares a las de la zeolita3.

La Tabla 1, muestra cronológicamente algunas referencias importantes en el

desarrollo de activadores y cementos alcalinos.

2.2 Geopolímeros

2.2.1 Definición

Los geopolímeros son aluminosilicatos que consisten de unidades tetraédricas de

aluminio y silicio condensadas a temperatura ambiente; los cuales presentan una

estructura con carga balanceada por medio de la presencia de iones metálicos

alcalinos2. Poseen excelentes propiedades como: alta resistencia a la compresión,

dureza en escala de Mohs entre 4-7 y estabilidad en un rango de temperaturas de

1300-1400 oC 5. Los geopolímeros pueden ser vistos como los equivalentes

amorfos de ciertas zeolitas sintéticas. La ruta de reacción de polimerización puede

ser clasificada como una reacción de policondensación inorgánica, y podría ser

comparada con la formación de zeolitas. La mayoría de las síntesis de la zeolita

son realizadas bajo condiciones básicas usando OH- como un agente

mineralizador. De acuerdo con Van Jaarsveld (1998) un metal alcalino es

necesario para que ocurra la disolución de la sílice y la alúmina, así como para la


10

catálisis de la reacción de condensación2. Los geopolímeros se forman por la co-

polimerización individual del aluminio y especies de silicatos, los cuales se

originan de la disolución de la sílice y aluminio contenido en los materiales con un

alto pH en presencia de silicatos solubles6.

2.2.2 Clasificación química y nomenclatura

Se ha establecido una clasificación química basada en unidades de

aluminosilicatos. Los geopolímeros que están basados en aluminosilicatos son

llamados poli-sialatos. Este término es una abreviación de poli-(silico-oxo-

aluminato) o (-Si-O-Al-O-)n, siendo n el grado de polimerización2. El hecho de que

el Al está en coordinación tetraédrica con respecto al O crea un desequilibrio de

carga negativa y por consiguiente la presencia de cationes tales como K+, Na+ y

Ca+2 es esencial para mantener neutralidad eléctrica en la matriz2. Los tetraedros

de SiO4 y Al2O3 forman precursores poliméricos [SiO4 – AlO4-] (polisialato-disiloxo)

para dar lugar a la formación de geopolímeros, esto se resume en la Tabla 22

Esta nomenclatura fue determinada en base a las observaciones de que los

geopolímeros eran amorfos a los rayos X, y mediante NMR se observó que

contenían exclusivamente Al y Si en coordinación tetraédrica2.


11

Tabla 1. Historia bibliográfica de cementos activados de forma alcalina3

Autor (es) Año Importancia

Feret 1939 Escoria usada para cemento

Purdon 1940 Combinaciones de escoria

Glukhovsky 1959 Fundamento teórico y desarrollo de cementos alcalinos

Glukhovsky 1965 Primer nombre de "cementos alcalinos" a causa de las sustancias naturales usadas como componentes.

Davidovits 1979 El término "Geopolímero" enfatiza una polimerización elevada

Malinowski 1979 Acueductos antiguos caracterizados

Forss 1983 Cemento F (escoria superplastificada)

Langton y Roy 1984 Materiales caracterizados de construcciones antiguas (Roma, Grecia)

Davidovits y Sawyer 1985 Patente de "Pyrament"

Krivenko 1986 Tesis, Me2O-MeO-Me2O3-SiO2-H2O

Malolepsy y Petri 1986 Activación de escoria de melilita sintética

Malek 1986 Cemento de escoria para contenedores de desechos rediactivos

Davidovits 1987 Comparación de concretos antiguos y modernos

Deja y Malolepsy 1989 Resistencia a cloruros

Causal 1989 Desechos nucleares adiabáticos curados formados de mezclas alcalinas incluyendo la formación de zeolita

Roy y Langton 1989 Concretos análogos antiguos

Majumdar 1989 Activación de escoria-C12A7

Talling y Brandstetr 1989 Escoria –activada

Wu 1990 Activación de cemento de escoria

Roy 1991 Ajuste rápido de cementos altivados

Roy y Silsbee 1992 Cementos activados

Palomo y Glasser 1992 CBC con metacaolín

Roy y Malek 1993 Cementos de escoria

Glukhovsky 1994 Antiguos, modernos y futuros concretos

Krivenko 1994 Cementos alcalinos

Wang y Scrivener 1985 Microestructura de escoria y escoria activada


12

Tabla 2. Clasificación y uso de geopolímeros2.

Categoría Estructura Catión Alcalino Uso

Polisialato (PS)

K-PS Na-PS

Aislante Térmico Resistencia al fuego

Polisialato-Siloxo (PSS)

K-PPS Na-PPs

K,Ca-PPS

Refractario Resistencia al fuego Cementos para desechos tóxicos

Polisialato disiloxo (PSDS)

K-PSDS Na-PSDS

K,Na-PSDS

Compósitos Refractarios Resistencia al fuego

Otro tipo de notación para describir sistemas álcali-aluminosilicatos, fue descrita

por Engelhardt7. La notación Qn(mAl) donde 0 m n 4, n representa el número

de coordinación del Si central y m es el número de Al vecinos y se usa para definir

la conexión de tetraedros de Si con átomos de Al. Esta notación puede ser

utilizada para caracterizar explícitamente sistemas de aluminosilicatos incluyendo

vidrios, geles, zeolitas y minerales en investigaciones experimentales o

modelación. La base tridimensional de la notación Qn(mAl) se ilustra en la Figura

1, donde n es 4 y corresponde a la geometría tetraédrica observada en los

geopolímeros 7.


13

Figura 1. Coordinación dimensional de Si descrita por la notación de Engelhardt Q

n(mAl)

7.

La estructura de los geopolímeros puede ser amorfa o cristalina, esto dependerá

de la temperatura a la que se lleva a cabo la condensación. A temperaturas de

reacción en el rango de 20 a 90°C se obtienen normalmente geopolímeros

amorfos, mientras que a temperaturas de 150-200°C se obtienen productos

cristalinos. Asimismo se ha propuesto que la estructura cristalina de geopolímeros

es semejante a la de las zeolitas2.

Los geopolímeros poseen excelentes propiedades mecánicas, resistencia al fuego

y resistencia a los ácidos. Estas propiedades hacen a los geopolímeros un

material potencial para la construcción. Sin embargo, las aplicaciones comerciales

de los geopolímeros son limitadas actualmente, por lo que incrementar el

desarrollo e investigación de estos materiales podría facilitar su rápida aceptación

y comercialización6.


14

2.2.3 Síntesis

La síntesis de este tipo de materiales se produce mediante una reacción de

geopolimerización; sin embargo, el mecanismo exacto por el cual la

geopolimerización y el endurecimiento ocurre no ha sido totalmente esclarecido.

La mayoría de los mecanismos propuestos consisten en la disolución,

transportación y orientación así como pasos de reprecipitación (policondensación).

Hua y Van Deventer6 presentaron esquemáticamente el mecanismo de la

siguiente manera:

Ec. 1

Ec. 2

De acuerdo con Davidovits6, la generación de los geopolímeros requiere

condiciones de síntesis hidrotermales similares a las de las zeolitas. Los tiempos

de reacción, sin embargo, son sustancialmente rápidos, resultando en matrices

amorfas o semicristalinas comparadas con la alta cristalinidad y estructura regular

de las zeolitas.

OnHOSiOAlOSiKNa

OH

KOHNaOHOHSiOAlOSiOHn

2

|

|

|

|

|

|

2

3|

3

4,

)(

)()(

2

3|

3

222252

)(

)()(,

42,

OH

OHSiOAlOSiOHnKNa

KOHNaOHOnHnSiOOAlOSin


15

Los cationes metálicos como Na+, K+, Li+, Ca2+, H3O+ o Ba2+ que se encuentran en

el arreglo polimérico deben de estar presentes en la estructura con el fin de que

ocurra un balance de cargas2

Como se muestra en la Figura 2, la estructura propuesta consta de tetraedros de Si

y Al, distribuidos de forma aleatoria a lo largo de cadenas poliméricas, las cuales

se entrelazan para formar cavidades de tamaño suficiente para acomodar iones

alcalinos metálicos y balancear las cargas2.

Figura 2. Estructura del geopolímero Na-PS2

Una estructura más ordenada ha sido sugerida para el polímero polisialato siloxo

(PSS) de potasio tal como se muestra en la Figura 3, de la cual puede derivarse

una estructura análoga de PSS de sodio. La estructura de la Figura 2 es preferida

debido a su gran desorden y habilidad para acomodar iones de sodio. Lo anterior

es más consistente con datos experimentales obtenidos de diversas

investigaciones2.


16

Figura 3. Modelo estructural propuesto para un geopolímero del tipo K-PSS

2

En base a lo anterior, los geopolímeros pueden ser sintetizados a partir de

materias primas pulverizadas naturales o artificiales con alto contenido de sílice y

alúmina. Los polvos aluminosilicatos son comúnmente activados químicamente2.

2.2.4 Efecto del tipo de catión alcalino

Los iones de Na+ y K+ son de gran importancia en el desarrollo de las propiedades

físicas y químicas de la estructura final y la presencia de moléculas de agua

promueve la reacción de los cationes metálicos; así mismo, esas moléculas de

agua pueden ser parcialmente remplazadas por especies de silicatos o

aluminosilicatos lo que resulta en la formación de núcleos que sirven como puntos

de desarrollo estructural durante la síntesis de geopolímeros2.


17

2.2.5 Materias primas utilizadas en la síntesis de geopolímeros

Las síntesis de geopolímeros al igual que las zeolitas, depende del uso de

materias primas reactivas ricas en aluminolisicatos que presentan alto grado de

inestabilidad termodinámica manifestada por la presencia de una estructura

amorfa en el material6.

Dado que los aluminosilicatos son los compuestos más abundantes en la corteza

terrestre, existe un buen número de fuentes de materia prima ricas en alúmina y

sílice con potencial para producir geopolímeros. Entre los materiales con los que

se ha trabajado para la obtención de geopolímeros además de la ceniza volante

(CV) se encuentran; arcillas, escorias y puzolanas con activadores alcalinos por

debajo de 150oC

8. Las fuentes utilizadas para producir geopolímeros pueden

clasificarse en dos grupos según sus requerimientos de pre-tratamiento: a)

materiales calcinados, como metacaolín, residuos de construcción, desechos

puzolánicos etc., y b) materiales no calcinados, como ceniza volante (CV), caolín,

escoria, feldespatos, rocas minerales del tipo aluminosilicatos entre otros.

Investigaciones previas han demostrado que la geopolimerización con materiales

calcinados promueve una rápida disolución y gelación, y así mismo el desarrollo

de una alta resistencia mecánica a corto tiempo2.

Xu y Van Deventer6, llevaron a cabo una investigación de 16 minerales naturales

de Al-Si, con tamaño de partícula de 212 µm, cuyas características principales se

presentan en la Tabla 3. El propósito de esta investigación fue el de determinar el

efecto de las propiedades minerales en la resistencia a la compresión del

geopolímero sintetizado. Sus resultados demostraron que los esqueletos de

silicatos (framework silicates), caracterizados por estructuras formadas de

tetraedros, como las del grupo de las zeolitas, presentan una mayor disolución en

el medio alcalino que aquellos aluminosilicatos con estructuras de hoja, anillo o

cadena.


18

Tabla 3. Composición elemental y propiedades físicas de los minerales alumino-silicatos seleccionados

6.

Mineral Estequiometría

Ideal

Composición, % Peso (XRF) SiO2 Al2O3 M1

e M2

e M3

e

Dureza

Mohs

Densidad [g/cm

3]

Contaminante Radio Molar

Si/Al

Orto, di, y anillo silicato

Almandina Fe3Al2(SiO4)3 38.57 20.09 Fe2O3 36.71 MnO 4.06 MgO 2.25 6.5-7.5 4.3 1.601 Ca3Al2(SiO4)3 48.53 1.59 Fe2O3 9.68 MgO 25.41 MgO 1.26 6.5-7.5 3.5 Cuarzo

Grupo Granate Silimanita Al2SiO5 40.8 57.78 6.5-7.5 3.24 0.599 Andalusita Al2SiO5 39.87 43.63 K2O 4.32 CaO 4.05 6.5-7.5 3.14 Margarita 0.755 Moscovita Al2SiO5 38.97 44.68 Fe2O3 4.76 K2O 3.90 MgO 4.9 5.5-7 3.6 Zinwaldita 0.738 Ca2Fe

3+Al2(SiO4)(Si2O7)- 46.83 15.28 Fe2O3 10.95 CaO 12.59 MgO 6.31 5.0-6.0 3.35 Sepiolita Orto 2.598

(Fe3+

) (OH,O)2*H2O

Cadena Silicatos LiAlSi2O6 62.84 26.58 Fe2O3 1.85 K2O 1.51 MgO 0.58 6.5-7.0 3.1 2.006 Augita (Ca,Mg,Fe)2(Si,Al)2O6 44.47 14.92 Fe2O3 12.4 CaO 6.68 MgO 10.23 5.5-6.0 3.3 2.526

Hoja Silicatos Lepidolita K(Li,Al)3(Si,Al)4- 49.55 28.58 K2O 9.99 2.5-4.0 2.84 1.47 O10(F,OH)2

Grupo Mica I lIlita (K,H3,O)Al2(SiAl)- 58.01 20.14 Fe2O3 4.93 K2O 6.04 MgO 2.54 1.0-2.0 2.7 Cuarzo 2.444 O10(H2O,OH)2

Estructura Silicato Grupo Arcilla

BaAl2Si2O8 46.29 25.94 CaO 9.96 6.0-6.5 1.513 Grupo Feldespatos

Sodalita Na4(Si3Al3)O12Cl 27.57 21.51 CaO 10.76 Cl 46741 Na2O 11.53 5.5-6.0 2.25 1.087 Ppm

Grupo Sodalita Hidroxia- pofilita

KCa4Si8O20(OH,F)*8H2O 51.6 0.21 K2O 5.01 CaO 22.71 4.5-5.0 2.36

Stilbita NaCa4(Si27Al9)O72*30H2O 58.47 15.04 CaO 7.61 3.5-4.0 2.2 3.298 Heulandita (Na,K,Ca, Sr, Ba)5 64.38 12.6 Fe2O3 6.93 CaO 2.25 Na2O 3.63 3.5-4.0 2.2 4.338

(Al9Si27)O72*26H2O Grupo Zeolita

Anortita CaAl2Si2O8 46.38 14,87 Fe2O3 11.81 CaO 6.58 MgO 9.88 6.0-6.5 2.76 Augita 2.64


19

2.2.6 Variables principales que influyen sobre las propiedades de

geopolímeros

2.2.6.1 Contenido de agua

Investigaciones realizadas por van Jaarsveld y col.2, en pastas geopoliméricas

de CV, indicaron que la concentración de iones OH- afectó la formación de las

microestructuras y que además con un aumento en el contenido de agua (H),

se modificó la homogeneidad de las estructuras obtenidas y las propiedades

mecánicas del producto final. Estudios adicionales de Hardjito y Col.2, en

pastas geopoliméricas indicaron que los incrementos en relación molar

agua/NaOH (H/HN) mejoraron la trabajabilidad de las mezclas; sin embargo, la

resistencia a la compresión se redujo. Estudios similares de García Martínez2

mostraron que el incremento en el uso de agua para estas mismas pastas a

base de ceniza volante (CV), redujo sustancialmente las propiedades

mecánicas. Por lo anterior, podemos indicar que la adición de agua mejora la

fluidez, sin embargo, afecta a la resistencia mecánica final. Esto se puede

asociar a la formación de productos de reacción intrínsecamente débiles.

2.2.6.2 Temperatura de curado

Burciaga Díaz2 encontró que la activación a altas temperaturas provocó un

endurecimiento más rápido y desarrollo de altas resistencias a edades

tempranas de curado (24h), aunque para tiempos mayores, y temperaturas

mayores que 60oC, no se reportaron ventajas en este sentido. Sin embargo, en

el largo plazo el curado a baja temperatura resultó más favorable para el

desarrollo de una alta resistencia mecánica lográndose resistencia de hasta 84

MPa a 20oC y 28 días de curado en seco.

Estudios realizados por Palomo y Col.2, reportaron que uno de los factores que

afectan la resistencia mecánica a la compresión es la temperatura de curado, y

presentaron un estudio de CV activada curada a 65 y 85oC, que alcanzó


20

resistencia de 21.2 y 34.6 MPa, respectivamente. Por otra parte, estudios de

Hardjito y Walla2, indicaron que el curado a alta temperatura por largos

períodos de tiempo puede debilitar la estructura del material endurecido.

2.2.6.3 Tiempo de curado

Otro factor importante que influye en las propiedades mecánicas del producto

final, es el tiempo de curado. Van Jaarsveld y Col.9 concluyeron que el curado

a alta temperatura, por más de 2h, no afecta positivamente el desarrollo de la

resistencia a la compresión, sin embargo el curado por largos periodos de

tiempo (>2 horas) a alta temperatura (>70oC) debilita las estructuras.

Bakharev10 investigó el efecto del tiempo de curado en sistemas de CV

activados con silicato de sodio (SN) con 8% de Na, con tiempos de curado de 6

y 24 h a 75oC, reportando resistencias de 32 y 45 MPa, respectivamente.

Adicionalmente reportó que, para materiales activados con silicato de sodio

(SN) e hidróxido de sodio (HN) y curados durante 6h a 95oC, la resistencia a la

compresión se mantuvo por encima de muestras curadas durante 24h a la

misma temperatura, y las cuales presentaron pérdidas de resistencia del 25%,

respecto a las pruebas con silicato de sodio.

Millar y Col.11, reportaron que para sistemas de CV (con 22.37% de CaO)-SN-

HN, a temperaturas menores de 75oC, los geopolímeros presentaron una

dramática pérdida de resistencia a la flexión con el incremento en el tiempo de

curado, mientras que a temperaturas superiores a 85oC la resistencia aumentó

con el tiempo de curado.

2.2.6.4 Composición química

Davidovits12, propuso la adición de escoria de alto horno para concretos de alta

resistencia, la mezcla curada a 65oC por 1h puede tener la siguiente

composición: 0.20<N/S<0.36, 3.0<S/A<4.12, 12<H/N,20, 0.6<N/A<1.36.


21

Investigaciones realizadas por Hadjito2, en morteros de geopolímero con CV,

indicaron que para relaciones de S/A= 3.98, N/S=0.11 y H/N= 10.00, las

resistencia a la compresión a 7días fueron de 42, 55, 65 y 70 MPa para

muestras curadas a 30, 45, 75 y 90oC, respectivamente.

Liang-Li y Col.2, reportaron que para un geopolímero curado a temperatura

ambiente por 24h y sintetizado a partir de un metacaolín (MK) de alta pureza

con SN e HN, la resistencia a la compresión fue de 58.5 MPa con relaciones

S/A=3.22, N/A=0.76 y H/N= 9.44.

Burciaga Diaz2, reportó resistencias a la compresión de hasta 84 MPa con

relaciones molares de S/A= 3.4, N/A= 0.83, H/N= 13.7 en pastas curadas a

20oC durante 28 días y sintetizadas con un MK de baja pureza activado con

soluciones de SN e HN.

2.2.7 Propiedades físicas y químicas de geopolímeros

Al comparar las propiedades de estos materiales geopoliméricos con el

Cemento Portland Ordinario (29.05 MPa a 28 días de curado), las propiedades

más sobresalientes de los primeros son: alta resistencia mecánica, resistencia

superior a agentes químicos y a altas temperaturas, lo cual puede permitir la

inmovilización de desechos tóxicos y la construcción de edificaciones

resistentes al fuego entre otras cosas22. La Tabla 4 presenta algunas de las

aplicaciones de los geopolímeros.


22

Tabla 4. Aplicaciones de los geopolímeros para diferentes relaciones Si-Al.

2.2.7.1 Resistencia Mecánica

La resistencia mecánica de geopolímeros depende fuertemente del tipo y

composición del activador alcalino, de la naturaleza de la materia prima

utilizada y de los parámetros descritos anteriormente.


23

La mayoría de las investigaciones realizadas han optado por la síntesis de

geopolímeros a alta temperatura (>50oC), sin embargo en la literatura existen

divergencias entre los autores en cuanto a condiciones óptimas de activación y

curado

En la Tabla 5, se muestran datos de propiedades mecánicas sobresalientes,

composición química y condiciones de curado de geopolímeros sintetizados por

diferentes investigadores, resumida por Burciaga2. Se observa que los

geopolímeros curados a alta temperatura desarrollan elevada resistencia a la

compresión a edades tempranas de curado; no obstante, el curado a bajas

temperaturas resulta más favorable para el desarrollo de resistencias a la

compresión a largo plazo2.

Tabla 5. Datos de resistencia mecánica de geopolímeros reportados por diferentes autores

2

2.2.7.2 Resistencia al ataque químico

La resistencia a ácidos es una propiedad deseable para materiales

estructurales usados en un ambiente agresivo de química, minería, procesos

de minerales y otras industrias. Los concretos hechos con CP y escorias

activadas por álcalis se deterioran en un ambiente ácido. En el caso del

concreto de cemento Portland CP, sales de calcio son formadas rápidamente

Materia

Prima

Composición

Química

Condiciones de

Curado

Resistencia a la

Compresión (MPa)

CV S/A=3.89, N/S=0.11,H/N=10.0

7 días a 30oC

7 días a 45oC

7 días a 75oC

7 días a 90oC

42

55

65

70

MK S/A=3.3 N/S=0.25 H/N=10 60 min a 65oC 48

MK S/A=3.22 N/A=0.76 H/N=9.44 24 h a 22oC 58.5

MK S/A=5 N/A=1.29 24 h a 75oC 62

MK S/A= 3.4 N/A=0.83 H/N=13.7 28 días a 20oC 84


24

debido al ataque de los ácido, debido a esto, y el concreto pierde su

resistencia y se deteriora rápidamente.

Estudios realizados por Bakharev13, demostraron que cuando las muestras

fueron probadas con una solución de ácido acético de pH=4 curados a 12

meses, el concreto realizado con escoria activada por álcalis tuvo una

reducción de la resistencia de un 33%, mientras que el concreto de CP tuvo

una reducción del 47% de resistencia. La resistencia de los materiales al

ataque ácido fue estudiada por inmersión de especímenes cilíndricos en 5% de

solución de ácido acético y ácido sulfúrico. La solución de ácido sulfúrico tenía

un pH de 0.8 mientras que el ácido acético tenía una pH de 2.4. Después de 5

meses de inmersión en las soluciones de ácido, las muestras expuestas en

ácido sulfúrico presentaron pequeños cambios de apariencia como

ablandamiento de la superficie y un insignificante cambio de tono en el color.

La examinación visual de los especímenes mostró deterioración severa el caso

de CP. En el caso de ácido acético, las muestras no presentaron cambio en

apariencia.

Los materiales geopolímeros preparados con ceniza volante tienen muy bajo

contenido de calcio (3-4% CaO) y por lo que se podría esperar que estos

posean alta durabilidad en un ambiente ácido. Las propiedades de estos

materiales geopolímeros reportan mayor durabilidad y propiedades de

resistencia al calor cuando incorporan metacaolín.

2.2.7.3 Resistencia al ataque de sulfatos

Se ha establecido que el ataque de sulfatos al CP es asociado con la reacción

química de los iones de sulfato como la sustancia agresiva y con el

componente aluminato de la pasta de cemento. La reacción entre estas

sustancias, en presencia de bastante agua, produce etringita (sulfoaluminato

de calcio hidratado) y yeso y causa la expansión del CP, fracturándose en

patrones irregulares. Estas fracturas dan fácil acceso a la penetración de los

sulfatos y el proceso continua completando la desintegración14.


25

En 1930 fue establecido que CP bajo en aluminio tenía resistencia superior en

ambiente de sulfatos15,16. Más tarde, se encontró que el concreto a base de

escoria tenía buena durabilidad en torno a sulfato y el modo de degradación del

concreto de escoria era diferente al concreto con CP. Este escrito considera el

efecto del ataque de sulfatos en zeolita natural activada por álcalis.

Estudios realizados por Bakarev17, demostraron que, después de 12 meses de

exposición en una solución de sulfato de sodio, la reducción de la resistencia

fue de hasta 17% para AAS (Escorias activadas por álcalis) y de hasta 25%

para el CP. Después del mismo período de exposición a la solución de sulfato

de magnesio, la reducción de la resistencia a la compresión fue más sustancial,

hasta el 37% de CP y el 23% para AAS. Los principales productos de

degradación fueron etringita y yeso en el caso del CP, y yeso en AAS. Las

muestras de CP presentaron una expansión significativa y agrietamiento,

mientras que las muestras de AAS no se expandieron pero se agrietaron

durante la prueba.

2.2.7.4 Técnicas de caracterización utilizadas en la obtención de geopolímeros.

La caracterización de los productos de reacción de materiales cementantes

activados de forma alcalina, como en el caso del Cemento Portland (CP), no es

algo sencillo debido a que generalmente los productos de hidratación son

amorfos. Según la revisión de Roy3 los productos de los cementos activados

por álcalis han podido ser estudiados mediante resonancia magnética nuclear

(NMR), espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS),

microscopía electrónica de transmisión y microscopia electrónica de barrido

(MEB). Con estas técnicas se ha podido dar seguimiento a la evolución de

productos como C-S-H, (C,M)4AH13 o hidrotalcita y en menores cantidades

C2ASH8 o gelenita.

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnica

empleada principalmente en la elucidación de estructuras moleculares, aunque


26

también se puede emplear con fines cuantitativos. Está basada en la medición

de absorción radiación de radiofrecuencia por un núcleo en un campo

magnético fuerte. La absorción de la radiación hace que el spin nuclear se

alinee o gire en dirección de mayor energía. Luego de absorber energía los

núcleos remitirán radiación RF y volverán al estado de energía más bajo. En

una investigación escoria activada con KOH, Jiang18 encontró resultados

compatibles con aquellos de Richardson. Malek y Roy encontraron estructuras

tipo zelolíticas mediante Si-NMR en mezclas de metacaolin activado hidratado

durante 14 días a 38°C.

Bakharev19 utilizó la técnica de DRX para identificar las principales fases

formadas en las muestras de CV, preparadas con silicato de sodio y soluciones

de hidróxido de sodio, encontrando que dichas fases eran amorfas, y solo en el

caso de las muestras preparadas con solución de hidróxido de sodio se

localizaron fases de zeolita semicristalina, presentes después de un mes de

curado. Se utilizó también espectroscopia de infrarrojo (FTIR) como técnica

complementaria para las mismas muestras, la cual mostró algunas diferencias

al hacer la comparación con la muestra inicial, por lo que se concluyó que se

formaron fases diferentes al utilizar SN e HN. Adicionalmente mediante MEB se

determinó que las muestras eran heterogéneas, debido a que contenían una

gran proporción de CV sin reaccionar. También fue posible identificar

diferencias significativas en la apariencia para los dos activadores evaluados.

Microanálisis de rayos X (EDS) fue utilizado para confirmar que el mayor

producto de hidratación fue el gel de aluminosilicato.

Xie y Xi20 emplearon MEB para revelar las fases que componen la base (por

ejemplo la composición de la ceniza volante), y posteriormente, realizaron un

análisis por difracción de rayos X (DRX) para verificar la información obtenida

del MEB.


27

2.2.8 Materias Primas (aluminosilicatos) de interés

2.2.8.1 Zeolitas

Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos con estructura basada en unidades

tetraédricas de silicio-oxígeno (SiO4) y aluminio-oxígeno (Al2O3). Estos

contienen cationes alcalinos intercambiables de tierra tales como: Na+, K+, Ca2+

y Mg2+ que mantienen carga natural. Existen varios tipos de zeolita (nueve

principales) y que surgen en las rocas sedimentarias:

Chabazita

Clinoptilolita

Erionita

Mordenita

Estilbita

Ferrierita

Filipsita

Heulandita

Laumantita

Estas zeolitas se encuentran constituidas por aluminio, silicio, hidrógeno,

oxígeno, y un número variable de moléculas de agua21.

Figura 4. Estructura de una zeolita Figura 5. Muestra de una zeolita

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:ZeolitesUSGOV.jpg

http://es.wikipedia.org/wiki/Aluminio

http://es.wikipedia.org/wiki/Silicio

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno


28

La estructura cristalina de la zeolita es capaz de absorber especies que tienen

diámetros que encajan a través de la entrada de los canales de la superficie

mientras se excluyen especies más grandes, dando lugar a propiedades de

cribado molecular que son explotadas en un amplio rango de aplicaciones

comerciales. Esto incluye el uso de zeolitas naturales en agua y filtración de

aire, contaminación y control de olores, higiene animal, filtración de estanques

entre otros; como relleno industrial y suplemento dietético de animales22.

Un ejemplo del empleo de zeolitas como puzolanas naturales es el uso de la

clinoptilolita, el cual se ha reportado en China, Grecia y Bulgaria. También ha

tenido aplicación en la recuperación de Cesio de los desechos de agua

radioactiva y el amoniaco de los desechos de agua municipal. El uso de la

zeolita natural en el tratamiento de residuos contaminados de metal ha sido

revisado recientemente. Algunas investigaciones han reportado removimiento

efectivo de plomo, cadmio, torio y amoniaco de residuos.

Alcántara y Col.22, llevaron a cabo una investigación de materiales cementantes

fabricados a partir de la hidratación de la zeolita natural (Clinoptilolita) con

hidróxido de calcio (CH), los cuales fueron caracterizados y comparados con

otros residuos activados de forma alcalina. La activación por álcalis de

Clinoptilolita produjo materiales con alta resistencia a la compresión (38.7MPa).

Las propiedades físicas del material sintetizado dependen del método de

preparación de la muestra, de las condiciones de curado, del tamaño inicial de

partícula y de la concentración del álcali. Mediante análisis por Microscopía

Electrónica de Barrido (MEB) combinado con Espectroscopia de Dispersión de

Energía (EDX), se encontró una relación Ca/Si en los productos de hidratación

en el rango de 0.8-1.2, que claramente es menor que los productos del

cemento Portland ordinario, el cual tiene una relación promedio de 1.823.

Las zeolitas para comercializarse como tales, necesitan ciertas propiedades, el

índice de relación de intercambio iónico debe ser alto, en caso contrario el

material no se comercializa para tratamiento de aguas o como material para


29

intercambio iónico. Como se mencionó anteriormente, la zeolita tiene muchas

aplicaciones, tales como: agricultura, acuacultura, alimentación de ganado,

intercambiado iónico y como catalizador en la industria química, sin embargo si

se tiene metales pesados como el As ésta es rechazada para este fin. Como ya

se describió, las zeolitas ya se han investigado para activarse y producir

materiales cementantes, sin embargo existe muy poca información al respecto

y es nula con materiales propios de nuestro país, debido a esto, en la presente

investigación se evaluará un proceso para producir un material base zeolita con

propiedades cementantes.


30

CAPÍTULO III

HIPÓTESIS

La geopolimerización ocurre debido a la co-polimerización individual del

aluminio y especies de silicatos, los cuales una vez disueltos y en presencia de

silicatos solubles, resultan en un material geopolimérico con propiedades de

resistencia a la compresión similares al CP. En base a lo anterior se establece

la siguiente hipótesis:

Las zeolitas son materiales silicoaluminosos cristalinos con estructura basada

en unidades tetraédricas de silicio-oxígeno (SiO4) y aluminio-oxígeno (Al2O3).

Por lo tanto, es posible emplear zeolita como material base, activarla

químicamente utilizando hidróxido sodio para generar la disolución de las

especies de Al-Si, que combinadas con silicato de sodio, generarán un material

geopolimérico con una resistencia a la compresión similar a la generada por

material con cemento portland.


31

CAPÍTULO IV

PROPUESTA Y ORIGINALIDAD

El estudio descrito en este trabajo está orientado a la obtención de materiales

cementantes con buenas propiedades mecánicas, aplicando la activación

química alcalina de aluminosilicatos minerales para producir geopolímeros. La

directriz principal de este trabajo, es la generación de conocimiento aplicado a

la obtención de material cementante mediante tecnología amigable con el

medio ambiente. Por otra parte, el proyecto satisface la necesidad industrial de

Empresas Mineras sobre la búsqueda de nuevas aplicaciones para yacimientos

minerales que permitan obtener un producto de mayor valor agregado.

Se efectuó un estudio sistemático empleando muestras de yacimientos

minerales de tipo aluminosilicatos (e.g., zeolitas). Los estudios estuvieron

dirigidos a dos aspectos: la obtención de un material cementante con buenas

propiedades mecánicas y a la comprensión de los procesos involucrados en la

síntesis de geopolímeros.

El presente estudio involucra un aspecto innovador en el área de materiales: el

desarrollo de una alternativa tecnológica a los procesos convencionales de

producción de Cemento Portland (CP), para la obtención de materiales

cementantes. El contexto es la necesidad industrial de desarrollar procesos

prácticos que reduzcan significativamente las emisiones de CO2 a la atmósfera,

y paralelamente, generen aplicaciones comerciales de mayor valor agregado

para yacimientos minerales de aluminosilicatos


32

CAPÍTULO V

OBJETIVOS

Objetivo general

Estudiar la activación química alcalina de zeolita en combinación con una

solución de silicato de sodio para la obtención de un material geopolimérico,

con propiedades de resistencia a la compresión y ataque químico similares a

las obtenidas con del Cemento Portland.

Objetivos particulares

Estudiar la resistencia a la compresión y ataque de sulfatos del material

sintetizado empleando materiales silicoaluminosos del tipo zeolitas y obtener

un geopolímero con mejores propiedades de resistencia a la compresión y

ataque químico que las obtenidas con el CP.

Examinar el efecto de condiciones experimentales químicas y físicas en las

propiedades mecánicas del material, tomando como variables, soluciones de

HN con diferentes molaridades, la relación del activador (SN/HN), la

temperatura y el tiempo de curado.

Estudiar la información sobre los procesos más relevantes en la síntesis de

geopolímeros, estableciendo un mecanismo de reacción para la zeolita

empleada.

Estudiar las propiedades de resistencia al ataque químico del geopolímero

generado con las mejores propiedades de resistencia a la compresión.

Desarrollo de las habilidades para la síntesis de geopolímeros a partir de

materiales silicoaluminosos, así como la plantear una base de datos que

incluya la metodología y caracterización de geopolímeros por las diferentes

técnicas de análisis.


33

CAPÍTULO VI

METAS

Un geopolímero con propiedades de resistencia a la compresión y ataque

químico similares a las obtenidas con Cemento a partir de zeolita natural.

Una base de datos que incluya la metodología para la síntesis, de

geopolímeros a partir de zeolita, condiciones óptimas de curado y

caracterización de geopolímeros.

Planteamiento del mecanismo de reacción de geopolimerización para la zeolita

empleada y las variables involucradas en la síntesis, que ayude a entender el

proceso de síntesis de geopolímeros.

Determinar la reducción de la resistencia a la compresión del geopolímero

sintetizado, en un ambiente de sulfatos.


34

CAPÍTULO VII

METODOLOGIA EXPERIMENTAL

7.1 Materiales

Se llevó a cabo la selección de minerales, la caracterización de las mismas y la

experimentación para evaluar la activación química de las muestras

seleccionadas. El estudio está orientado a aluminosilicatos minerales del tipo

zeolita.

La zeolita empleada proviene de un yacimiento natural de Chihuahua, México,

localizado en el flanco occidental de la Sierra Tlahualilo. Debido a que posee

una baja capacidad de intercambio iónico, su aplicación actual se limita a

emplearse como agregado del cemento. La muestra fue homogeneizada,

secada a 60C durante un periodo de 24 horas., triturada y pulverizada

obteniendo un tamaño promedio de partícula de 80% menor a 100 m (dp80).

La preparación de las muestras para DRX involucró a un tamaño de partícula

menor a 100 m, Se llevó a cabo también un análisis mediante MEB en

muestras montadas en resina, desbastadas y pulidas con alúmina de 1 y 0.3

m.

Se utilizó silicato de sodio líquido con un módulo de 3.22 (SiO2/Na2O) e

hidróxido de sodio grado técnico para la activación alcalina. Con fines

comparativos se utilizó Cemento portland comercial. Se utilizó agua destilada

con una conductividad específica de10-6

-1cm-1.

Con el objetivo de determinar la influencia de la composición del material

sintetizado y su efecto sobre la resistencia a la compresión, se emplearon

relaciones de silicato de sodio/hidróxido de sodio de 0.4, 1.5, 5, 10 y 15,

utilizando soluciones de hidróxido de sodio de 7, 10 y 14M. Las pruebas se

realizaron empleando una relación de solución activadora/ ligante de 0.6.


35

El material de referencia corresponde a concreto preparado empleando CP

comercial y arena estándar de acuerdo a las características definidas por las

siguientes Normas ASTM:

Norma ASTM C778-0624. Standard specification for standard sand.

Norma ASTM C150-0525. Standard specification for Portland cement.

Norma ASTM C109/C109M-0526. Standard test method for compressive

strength of hydraulic cement mortars (using 2 in or (5cm) cube specimens).

Norma C595-0627. Standard specification for blended hydraulic cements.

Norma C230/C230M-9828, Standard specification for flow table for use in testes

of hydraulic cement.

Para la elaboración de los cubos de referencia, se empleó 1 parte de cemento

portland, por 2.75 partes de arena estándar (en peso). El porcentaje de agua

utilizada, con respecto al cemento fue de 33%, solo la necesaria para obtener

una fluidez de 110+/- 5. Para realizar la mezcla de los materiales, se utilizó una

mezcladora de paleta.

A continuación el procedimiento para la elaboración de los cubos de referencia:

Se coloca el agua en la mezcladora

Se agrega el cemento al agua, enseguida se enciende la mezcladora y mezcla

a baja velocidad por 30 segundos.

Durante los siguientes 30 segundos, se adiciona la arena estándar, mezclando

a baja velocidad

Se detiene la mezcladora, se cambia a velocidad media y se mezcla durante 30

segundos.

Se detiene el mezclado y el mortero reposa durante 90 segundos (Durante los

primeros 15 segundos de este intervalo, se baja el material que haya quedado

pegado en las pareces del recipiente).

Se mezcla nuevamente a mediana velocidad durante 1 minuto más.

Se llena la mitad de los moldes y se apisona 32 veces durante 10seg,


36

Cuando el apisonamiento de la primera capa de todos los cubos se haya

completó, se llenan los moldes con el material restante y se apisona

nuevamente igual que la primera capa.

Al terminar el apisonado se limpia la parte superior con una espátula con

movimientos en forma de sierra.

Una vez que se hayan terminado los cubos, coloque los moldes en el cuarto

húmedo, durante un tiempo de curado de 20 a 24 horas.

Cumplido el tiempo de curado, desmolde los cubos y colóquelos en inmersión

en agua saturada con CaO, excepto aquellos tres especímenes que se

probarán a las 24 horas.

7.2 Preparación de la solución activante

Se prepararon las soluciones de HN con molaridades de 7, 10 y 14M, se

mezclaron con SN en relaciones en peso, para obtener soluciones activantes

(SN/HN) de 0.4, 1.5, 5, 10 y 15, con el objetivo de determinar la influencia de su

composición sobre la resistencia a la compresión del geopolímero resultante.

La tabla 6 muestra la dosificación de las mezclas para cada relación del

activador utilizado, tomando en cuenta la cantidad de zeolita necesaria para la

elaboración de 8 cubos de 5 x 5 x 5 cm.

Tabla 6. Dosificación de las mezclas para cada relación del activador utilizado.

Relación del Activador (SN/HN) SN (gr) HN(gr) Zeolita (gr)

0.4 226 564 1316

1.5 474 316 1316

5 658 132 1316

10 718 72 1316

15 740 49 1316

Las cantidades de Na2O y H2O que cada relación de solución activadora aporta

a la mezcla se observa en la tabla 7, así, dependiendo de la preparación de la

solución activadora los porcentajes de Na2O y H2O se modifican y la

composición química del geopolímero final se ve afectada con respecto a la

solución activadora utilizada.


37

Tabla 7. Porcentajes en peso de Na2O y H2O en las soluciones activadoras.

Relaciòn SN/HN

Soluciones HN

% Peso

Na2O H2O H2O/Na2O

0.4

7M

4.69 86.48 18.43

1.5 6.54 75.89 11.60

5 7.92 68.02 8.59

10 8.36 72.75 8.70

15 8.53 64.51 7.56

0.4

10M

5.61 85.30 15.19

1.5 7.75 74.33 9.59

5 8.42 67.37 8.00

10 8.64 65.11 7.54

15 8.72 64.26 7.37

0.4

14M

6.84 83.71 12.24

1.5 8.09 73.89 9.13

5 8.56 67.19 7.85

10 8.72 65.01 7.46

15 8.77 64.20 7.32

7.3 Preparación de las pastas geopoliméricas

La metodología para la preparación de las pastas se muestra en la figura 6, la

solución activadora (SN/HN) se preparó en el momento de ser adicionado a la

zeolita, se preparó la cantidad necesaria para la elaboración de 8 cubos, la cual

consiste en lotes de 1316 g de zeolita y 790 g de solución activadora. Se

agregó a la mezcladora la solución activadora (HN y SN) según la relación

indicada (0.4, 1.5, 5, 10 o 15), posteriormente se agregó la Zeolita y se

mezclaron durante 5 minutos en una mezcladora de paletas con movimiento

planetario, logrando obtener una fluidez adecuada similar para todas las pastas

(Fluidez de 1105).

Las pastas preparadas con estas soluciones fueron vaciadas en moldes

cúbicos de 5 x 5 x 5 cm y se sometieron a tiempos de curado de 1, 7, 14, 28 y

90 días. A las 24 horas los cubos fueron desmoldados, y cada sistema se

sometía a la temperatura necesaria. Las condiciones de temperatura

empleadas durante el fraguado y curado fueron de a temperatura ambiente, 40,

60 y 80ºC.


38

Una vez que cumplieran el tiempo de curado se medía la resistencia mecánica.

Pava evaluar la resistencia a la compresión, se ensayaron 3 cubos de cada

serie, reportándose el promedio de éstos, y se determinó la desviación

estándar mediante la ecuación 3.

Ec. 3

Los cubos fueron ensayados para evaluar la resistencia a la compresión a los

periodos de curado antes mencionados mediante la Norma ASTM

C109/C109M-0526. Una vez fracturado el cubo, los trozos se prepararon para

detener su reactividad mediante el tratamiento con acetona por 20 minutos,

posteriormente se guardó en bolsa con cierre hermético.

N

i

i xxN 1

2_

1

1


39

Figura 6. Diagrama de flujo de la preparación de las pastas geopoliméricas

Selección del sistema con mejores resultados de resistencia mecánica

para llevar a cabo los análisis químicos correspondientes a la

siguiente etapa.

Pesado de la materia prima (Zeolita) y de las soluciones

de SN y HN.

Mezcla de la Zeolita y la solución activadora

(SN y HN).

Tiempo de mezclado de 5 minutos o hasta lograr una

consistencia adecuada

(Fluidez 1105).

Vaciado de la pasta obtenida en moldes cúbicos de 5 cm.

por lado. Llenado de los moldes a la mitad, para

apisonarlos con 32 golpes y posteriormente llenarlos por completo y

apisonarlos con 32 golpes.

Los moldes a Temperatura ambiente, 40, 60 y 80

oC se

desmoldan a las 24 horas y se mide su resistencia a la

compresión al tiempo de curado

descrito anteriormente.

Medición de la resistencia mecánica en un período de 1, 7, 14, 28 y 90

días de curado.

Una vez medida la resistencia, los cubos se colocan en acetona para eliminar cualquier reacción ocurrida

por el tiempo de curado.


40

7.4 Caracterización de los sistemas geopoliméricos

La resistencia a la compresión se midió en un período de tempo de 1, 7, 14, 28

y 90 días de curado. De las muestras preparadas se seleccionaron 3 cubos y

se tomó el valor promedio entre ellas.

Una vez que se realizó la medición de la resistencia a la compresión de los

especímenes, los restos de éstos se introdujeron en acetona grado industrial

durante 20 min para terminar con la reacción que ocurre en el proceso de

curado y posteriormente se dejan secar y se colocan en una bolsa de plástico

de cierre hermético.

Las muestras que presentaron mejores resultados de resistencia a la

compresión de cada uno de los sistemas analizados se sometieron a

caracterización por medio de DRX, MEB-EDS e IR.

La preparación de las muestras para DRX e IR involucró a un tamaño de

partícula menor a 100 m. La molienda se llevó a cabo en molino de bolas

planetario, con contenedores y bolas de alúmina, se cargaron 20 g de

geopolímero formado y se molturaron durante 15 min a 300 rpm, el polvo

resultante se almacenó en bolsas de plástico con cierre hermético. Se llevó a

cabo también un análisis mediante MEB en muestras montadas en resina,

desbastadas y pulidas con alúmina de 1 y 0.3 m.

La caracterización por DRX se realizó con el objetivo de identificar las

principales fases formadas en las muestras de zeolita, preparadas con silicato

de sodio y soluciones de hidróxido de sodio. El Difractometro Philips X´PERT,

trabajando con una intensidad de corriente de 40KV, 30mA y una longitud de

onda de 1,540598 Å de Cu.

El análisis se llevó a cabo por el método de stepscan, debido a que nos ofrece

una mejor resolución en intensidad en los patrones de difracción.


41

Por lo tanto las características para el análisis fueron; paso de 0.4o, con un

ángulo de inicio de 5o y un ángulo final de 80o, con un tiempo por paso de 10

segundos.

Mediante MEB se determinó que las muestras eran heterogéneas debido a que

contenían una gran proporción de zeolita sin reaccionar.

Se utilizó también espectroscopia de infrarrojo (FTIR) como técnica

complementaria para las mismas muestras, con el objetivo de observar las

bandas de vibración de los enlaces característicos de las fases presentes en

los geopolímeros formados.


42

CAPÍTULO VIII

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Una muestra representativa de zeolita, se llevó a caracterización química

mediante, absorción atómica (AA), concentración gravimétrica, y

espectroscopia por plasma (ICP), los resultados se muestras en la Tabla 8, en

donde se presentan los principales elementos que conforman la zeolita. De

acuerdo con los resultados se deduce que el contenido total de SiO2, Al2O3 y

Fe2O3 en la zeolita es aproximadamente del 71.3%, valor que es típico de

algunos otros materiales puzolánicos tales como ceniza volante y escoria de

alto horno22.

El difractograma de la zeolita (ver Figura 7) muestra la presencia mayoritaria de

fases cristalinas de clinoptilolita, y en menor medida, de heulandita; ambas

minerales tipo zeolita. También se aprecia la presencia de picos de bajas

intensidades asociados a albita (feldespato) y calcita (CaCO3). El halo

comprendido entre 20-30 (2) indica la presencia de una fracción de material

amorfo.

Tabla 8. Análisis químico de la Zeolita

Compuesto/Elemento %

Al2O3 9.412 CaO 8.033 As 2.902 Fe2O3 2.345 K 0.065 Mg 0.7148 Mn 0.0341 Na 0.5685 Pb 0.0030 SiO2 59.542 Ti 0.1093 Humedad 2 Pérdidas por Calcinación 14.27


43

20 40 60 80

0

500

1000

1500

C: Clinoptilolita

H: Heulandita

A: Albita

Ca: Calcita

CaCaC

C

C

CA

C

HH

CC

C

ZEOLITA

Inte

nsid

ad

(cp

s)

2

Figura 7. DRX de la Zeolita

Figura 8. Caracterización de la zeolita natural MEB-EDS. a) Microfotografía de la zeolita natural MEB; b) Caracterización química por EDS de la muestra en general.

La relación atómica de la zeolita sin activar es de 5.3

Element Wt% At%

OK 34.70 50.28

MgK 1.30 1.24

AlK 7.81 6.71

SiK 40.97 33.81

KK 2.64 1.56

CaK 7.16 4.14

FeK 5.42 2.25

Total 100.00 100.00

(a) (b)

10µm


44

8.1 Resistencia a la compresión

8.1.1 Solución HN 7M

Los valores obtenidos de resistencia a la compresión presentan una desviación

estándar menor de 0.06 para valores bajos de resistencia, mientras que los

valores más altos presentan una desviación estándar menor a 2 unidades.

A continuación se muestran una serie de tablas (Tablas 9-13), en las que se

presentan los resultados de la resistencia a la compresión de los geopolímeros

formados utilizando una solución de HN 7M, en función de la relación de la

solución activadora (SN/HM). En las cuales se puede observar que los mejores

valores de resistencia se obtuvieron mediante el uso de una relación de

solución activadora de 10, a una temperatura de curado de 40°C en un tiempo

de curado de 90 días, siendo este valor 7.5% mayor al obtenido en el CP. Aquí

mismo se puede determinar que el material sintetizado requiere de la activación

térmica para obtener un geopolímero con buena propiedad de resistencia a la

compresión.

Tabla 9. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y una relación activadora (SN/HN) de 0.4.

Temperatura de Curado

Resistencia a la compresión (Mpa)

24 horas. 7 días 14 días 28 días 90 días

Ambiente 0.31 1.61 3.02 6.12 8.28

40◦C 1.69 9.1 8.35 8.59 10.75

60◦C 2.31 11.3 13.73 14 14.55

80◦C 4.31 10.24 14 15.49 15.48





Ambiente 0 1.14 3.84 10.24 32.95

40◦C 0.86 13.73 27.03 28.75 30.05

60◦C 2.47 22.2 22.91 23.1 23.38

80◦C 3.53 25.14 27.81 28.32 28.36


45

Tabla 11. Resistencia mecánica de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y una relación activadora (SN/HN) de 5.

Tabla 12. Resistencia mecáni

ca de las muestras realizadas con una solución de HN 7M y una relación activadora (SN/HN) de 10.




Ambiente 0.47 3.92 8.04 12.12 15.55

40◦C 2.24 24.63 29.18 31.42 33.14

60◦C 8.32 25.77 24.75 24.75 27.79

80◦C 11.53 21.1 17.1 18.79 23.65





Ambiente 0.43 2.86 5.92 7.33 7.73

40◦C 1.96 17.49 25.42 28.36 28.32

60◦C 6.12 20.63 18.44 17.96 19.65

80◦C 13.45 22.4 23.18 23.22 22.75

Para ver el efecto de la temperatura y la solución activadora se presenta las

gráficas (Figura 9) de los valores de resistencia a la compresión del

geopolímero formado, comparándolos con los valores de resistencia a la

compresión del CP (Tabla 14). Los valores de resistencia a la compresión del

CP, se obtuvieron bajo lo exigido por las normatividad de la ASTM.

Tabla 14. Resistencia a la compresión del cemento.



Cemento 9.9 22.69 28.48 29.05 30.85




Ambiente 0.12 2.39 5.41 10.2 20.32

40◦C 1.65 17.65 26.52 30.28 31.3

60◦C 4.16 19.97 18.63 17.34 19.22

80◦C 12.51 23.85 21.22 23.85 24.28


46

Figura 9. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 7M a diferentes Relaciones del activador y temperaturas de curado

-7 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98

0

5

10

15

20

25

30

35

TEMPERATURA

80°C

TEMPERATURA

60°C

TEMPERATURA

40°C

TEMPERATURA

25°C

Temperatura de Curado (Días)

CEMENTO

1 7 14 28 90

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98

0

5

10

15

20

25

30

35

1 7 14 28 90

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98

0

5

10

15

20

25

30

35

1 7 14 28 90

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98

0

5

10

15

20

25

30

35

1 7 14 28 90

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98

0

5

10

15

20

25

30

35

R0.4

R1.5

R5

R10

R15

1 7 14 28 90

Resis

ten

cia

a la C

om

pre

sió

n (

MP

a)

Cemento

Zeolita sin Activar


47

El CP no es un compuesto químico simple, sino que es una mezcla de muchos

compuestos. Cuatro de ellos conforman el 90% o más del peso del CP y son: el

silicato tricálcico, el silicato dicálcico, el aluminato tricálcico y el aluminio ferrito

tetracálcico. Además de estos componentes principales, algunos otros

desempeñan papeles importantes en el proceso de hidratación.

Los dos silicatos de calcio, los cuales constituyen cerca del 75% del peso del

CP, reaccionan con el agua para formar dos nuevos compuestos: el hidróxido

de calcio y el hidrato de silicato de calcio. Este último es el componente

cementante más importante en el concreto. Las propiedades ingenieriles del

concreto, fraguado y endurecimiento, resistencia y estabilidad dimensional

principalmente dependen del gel del hidrato de silicato de calcio29.

Las propiedades de endurecimiento del cemento se logran mediante la mezcla

de éste con el agua. Esto resulta en la formación de productos de hidratación

que poseen cualidades ligantes y baja solubilidad en agua. La reacción química

principal se da con el silicato tricálcico y el agua, expresada en la fórmula

condensada (C = CaO, S = SiO2.H = H2O)30.

Ec. 4

.)3(3 CHxHSCHSC x

La propiedad de liga de las pastas de cemento Portland se debe a la reacción

química entre el cemento y el agua llamada hidratación.

La composición química del silicato de calcio hidratado es en cierto modo

variable, pero contiene cal (CaO) y sílice (Si02), en una proporción sobre el

orden de 3 a 2. En la pasta de cemento ya endurecida, estas partículas forman

uniones enlazadas entre las otras fases cristalinas y los granos sobrantes de

cemento sin hidratar; también se adhieren a los granos de arena y a piezas de

agregado grueso, cementando todo el conjunto. La formación de esta

estructura es la acción cementante de la pasta y es responsable del fraguado,

del endurecimiento y del desarrollo de resistencia.

http://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/restat/restat.shtml

http://www.monografias.com/trabajos16/romano-limitaciones/romano-limitaciones.shtml

http://www.monografias.com/Quimica/index.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTRO

http://www.monografias.com/trabajos12/desorgan/desorgan.shtml


48

De manera general se observa que los geopolímeros sintetizados presentan un

incremento muy importante en la resistencia a la compresión en la primera

semana de curado, presentándose la resistencia más baja en las pruebas

efectuadas a temperatura ambiente. El periodo de curado de las pruebas a

temperatura ambiente favorecen la resistencia del geopolímero, tal como lo

demuestran los valores de compresión de las pruebas a 90 días, lo que está en

línea con lo reportado por otros autores31. El material sintetizado a una

temperatura de curado de 40°C presenta los valores de resistencia a la

compresión más altos, siendo incluso mayores a los presentados por el

cemento portland, Figura 9. A temperaturas mayores (60°C y 80°C) la

resistencia a la compresión se ve favorecida en periodos cortos de curado,

estabilizándose en periodos largos (90 días). La dependencia mostrada entre la

resistencia a la compresión y la temperatura indica que la materia prima

necesita de la activación térmica para obtener un geopolímero con buena

propiedad de resistencia a la compresión, al menos hasta los 90 días de

curado. Este mismo efecto ha sido reportado para los geopolímeros base

ceniza volante1.

Al comparar los resultados obtenidos para cada relación de activador con el

cemento portland, se puede ver que el incremento de la relación activador de

0.4 a 1.5 favorece la resistencia a la compresión, obteniéndose valores de

compresión mayores a los del CP, hasta llegar a la relación de 15, donde se

presentó un descenso en la resistencia. Cabe señalar que, la serie de muestras

obtenidas a 40°C, a partir de la relación activador de 1.5, los geopolímeros

mostraron una resistencia a la compresión 11% mayor a la presentada por el

cemento portland, en un periodo de curado de 90 días. Para la relación

activador baja (0.4), las mayores resistencias fueron obtenidas con curados a

temperaturas altas, entre 60 y 80ºC. El incremento en la relación activador

(incremento en SN) favorece la resistencia mecánica debido a que ocurre la

reacción de geopolimerización6 contribuyendo a la formación de gel,

incrementando las propiedades mecánicas.

La resistencia a la compresión se afecta para una relación de activador alta

(15), en periodos de curado largos. La caída de la resistencia a la compresión


49

con el incremento del SN ha sido reportado en algunos sistemas debido a la

inhibición de la reacción de geopolimerización, por la precipitación de fases de

Al-Si que evitan el contacto del material reaccionante con la solución

activadora32.


A continuación se muestran una serie de tablas (tablas 15-19), en las que se





solución activadora de 1.5, a una temperatura de curado de 40°C en un tiempo

de curado de 28 días, siendo este valor 30% mayor al obtenido en el CP.

El valor de la resistencia del CP a 28 días es de 29.05 MPa, mientras que para

el geopolímero formado, con los mejores resultados fue de 38.20 MPa.




24 horas. 7 días 14 días 28 días

Ambiente 0.90 2.90 4.63 6.82

40◦C 1.29 5.65 10.20 21.57

60◦C 2.98 6.98 8.90 18.38

80◦C 4.86 7.61 16.32 21.73





Ambiente 0.78 1.61 3.29 6.12

40◦C 2.0 12.43 26.71 38.20

60◦C 1.29 17.02 22.20 18.40

80◦C 9.92 11.77 18.63 18.71


50





Ambiente 0.20 1.65 3.61 3.88

40◦C 2.55 12.63 26.55 28.91

60◦C 4.31 13.92 17.96 18.76

80◦C 7.61 21.53 24.63 25.42





Ambiente 0.20 2.04 2.90 6.20

40◦C 2.0 11.96 24.20 27.18

60◦C 4.67 11.77 22.63 23.10

80◦C 7.22 17.93 20.32 23.10





Ambiente 0.20 2.20 3.61 6.0

40◦C 1.61 19.02 24.91 28.59

60◦C 2.59 14.32 12.94 13.65

80◦C 4.35 17.23 21.30 23.50

La Figura 10, muestra los resultados de resistencia a la compresión del CP y

de los geopolímeros sintetizados en función del tiempo (hasta 28 días) y

temperatura de curado para cada relación activador (silicato de sodio/hidróxido

de sodio). Con la solución de HN 10M.


51

0 7 14 21 28

0

7

14

21

28

0 7 14 21 28 35

0

7

14

21

28

35

42

0 7 14 21 28 35

0

7

14

21

28

35

42

0 7 14 21 28 35

0

7

14

21

28

35

42

0 7 14 21 28 35

0

7

14

21

28

35

42

R0.4

R1.5

R5

R10

R15

Temperatura

80oC

Cemento

ZeolitasinA

CementoTemperatura

60oC

Temperatura

40oC

Temperatura

Ambiente

Resis

ten

cia

a la C

om

pre

sió

n (

Mp

a)

Tiempo de Curado (Días)

Figura 10. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 10M a diferentes Relaciones del activador y temperaturas de curado


52

Se puede determinar que las muestras preparadas con solución de HN 10M no

favorecen la resistencia a la compresión a temperatura ambiente. El material

sintetizado a una temperatura de curado de 40°C presenta los valores de

resistencia a la compresión más altos, siendo incluso mayores a los

presentados por el cemento portland para una relación activador de 1.5.

Con la solución de HN 10M, la resistencia a la compresión a la temperatura de

60 y 80°C presenta un descenso y en ninguno de los casos presentan

resistencia mayores o iguales al CP. La serie de muestras obtenidas a 40°C, a

partir de la relación activador de 1.5, los geopolímeros mostraron una

resistencia a la compresión de hasta un 30% mayor a la presentada por el

cemento portland, en un periodo de curado de 28 días.


A continuación se muestran una serie de tablas (tablas 20-24), en las que se





solución activadora de 5, a una temperatura de curado de 40°C en un tiempo

de curado de 28 días, siendo este valor 35% mayor al obtenido en el CP.





Ambiente 0.55 2.04 7.33 11.45

40◦C 1.96 13.57 17.06 20.98

60◦C 2.12 18.16 20 23.18

80◦C 9.45 16.59 16.36 16.49


53





Ambiente 0.39 4.43 8.59 11.10

40◦C 2.39 24.20 28.52 35.77

60◦C 4.28 11.34 11.49 14.55

80◦C 8.35 10.24 14.08 15.20





Ambiente 0.75 9.18 14.40 16.91

40◦C 1.41 20.49 25.57 39.42

60◦C 3.69 8.39 9.73 12.47

80◦C 11.57 19.65 20.36 19.18





Ambiente 0.39 3.06 6.43 6.79

40◦C 1.84 16.51 17.49 21.85

60◦C 4.51 13.89 15.14 15.53

80◦C 11.57 20.32 25.34 25.89





Ambiente 0.51 2.86 3.41 6.71

40◦C 2 16.12 19.85 24.68

60◦C 4.51 8.67 10.75 10.79

80◦C 11.57 16.40 23.77 26.83

La Figura 11 presenta los resultados de resistencia a la compresión del

cemento puro y de los geopolímeros sintetizados en función del tiempo y

temperatura de curado para cada relación activador (silicato de sodio/hidróxido

de sodio). Con la solución de HN 14M.


54

0 7 14 21 28

0

7

14

21

28

0 7 14 21 28 35

0

7

14

21

28

35

42

0 7 14 21 28 35

0

7

14

21

28

35

42

0 7 14 21 28 35

0

7

14

21

28

35

42

0 7 14 21 28 35

0

7

14

21

28

35

42

R0.4

R1.5

R5

R10

R15

Temperatura

80oC

Cemento

ZeolitasinA

CementoTemperatura

60oC

Temperatura

40oC

Temperatura

Ambiente

Resis

ten

cia

a la C

om

pre

sió

n (

Mp

a)


Figura 11. Resistencia mecánica de la zeolita activada con HN 14M a diferentes Relaciones del activador y temperaturas de curado.


55

De manera general se observa el mismo comportamiento que en la Figura 10,

presentándose la resistencia más baja en las pruebas efectuadas a

temperatura ambiente. De igual manera el material sintetizado a una

temperatura de curado de 40°C presenta los valores de resistencia a la

compresión más altos, siendo incluso mayores a los presentados por el

cemento portland. A temperaturas mayores (60°C y 80°C) la resistencia a la

compresión se ve favorecida en periodos cortos de curado, estabilizándose en

periodos largos

El incremento de la relación activador favorece la resistencia a la compresión,

obteniéndose valores de compresión mayores a los del CP. Cabe señalar que,

la serie de muestras obtenidas a 40°C, a partir de la relación activador de 5, los

geopolímeros mostraron una resistencia a la compresión hasta un 35% mayor

a la presentada por el cemento portland, en un periodo de curado de 28 días.

Para la relación activador baja (0.4), las mayores resistencias fueron obtenidas

con curados a temperaturas altas, entre 60 y 80ºC.

La figura 12, presenta los resultados de resistencia a la compresión del CP y de

los geopolímeros sintetizados en función del tiempo (90días) a una temperatura

de curado de 40°C para cada relación activador (silicato de sodio/hidróxido de

sodio). Con solución de HN 7M, 10M y 14M. con el objetivo de determinar cuál

presentó los mejores resultados de resistencia a la compresión.


56

-7 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98

0

7

14

21

28

35

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91

0

7

14

21

28

35

42

49

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91

0

7

14

21

28

35

42

49

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91

0

7

14

21

28

35

42

49

Rel. Activador 0.4

Rel. Activador 1.5

Rel. Activador 5

Rel. Activador 10

Rel. Activador 15

7 14 28 90 7 14 28 90 7 14 28 90 7 14 28 90

Solución HN 14M Solución HN 10M Cemento Solución HN 7M

Resis

ten

cia

a la C

om

pre

sió

n (

Mp

a)


Cemento

Zeolita

Figura 12. Resistencia a la compresión del geopolímero formado preparado con HN 7M, 10M y 14M, a una temperatura de curado de 40°C, en comparación

con la resistencia del cemento portland comercial.


57

Los geopolímeros sintetizados que presentaron los mejores resultados de

resistencia a la compresión, fueron los preparados bajo las siguientes

condiciones:

Solución HN 10M

Temperatura de curado 40°C

Relación activador (SN/HN) 1.5 (474g/316g)

8.2 Difracción de Rayos-X

La caracterización se llevó a cabo para las muestras preparadas con solución

de HN 10M curadas a una temperatura de 40°C, debido a que presentaron los

mejores valores de resistencia a la compresión. Se llevó a cabo un análisis

cuantitativo de fases a partir de los difractogramas obtenidos de los

geopolímeros formados.

En la Figura 13 podemos observar los cambios que ocurren en las fases

presentes en la materia prima (heulandita, clinoptilolita y calcita) dependiendo

de la relación del activador, las cuales se observa que van disminuyendo con el

aumento de éste. La fase que mayor disminución presenta es la clinoptilolita,

la cual es la que se encuentra presente en mayor proporción en la materia

prima sin activar por lo que se puede concluir que es la fase que mayor

reacción tiene al aumentar la relación del activador.


58

Figura 13. Efecto de la relación del activador en las principales fases presentes. Heulandita (17°2θ), Calcita (40°2 θ) y clinoptilolita (10°2 θ). Los datos corresponden al geopolímero con los

mejores resultados de Resistencia a la compresión (40°C -28 días de curado)

En relación al tiempo de curado, en la figura 14 podemos observar que todas

las fases presentes en la materia prima inicial, disminuyen con el aumento del

tiempo de curado y al igual que en la figura anterior se puede observar también

que la fase que disminuye en mayor proporción es la fase de clinoptilolita, y

tomando en cuenta que la reacción de la materia prima ocurre con el tiempo de

curado podemos concluir que es por esto que a periodos largos de tiempo de

curado se obtienen las mejores resistencia a la compresión.

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Calcita

Heulandita

Clinoptilolita

u.a

.

Relación Activador


59

Figura 14. Efecto del tiempo de curado en las principales fases presentes. Heulandita (17°2θ), Calcita (40°2 θ) y clinoptilolita (10°2 θ). Los datos corresponden al geopolímero con los mejores

resultados de Resistencia a la compresión (40°C -28 días de curado)

Los resultados de la caracterización por DRX de los materiales geopoliméricos

se presentan en la siguiente serie de figuras. Se realiza una comparación de

los difractogramas entre todas las pruebas realizadas y también con respecto al

patrón de la zeolita sin activar.

En la figura 15 se presentan los difractogramas de Rayos X de las muestra

preparadas con relación de activador de 0.4.

0 5 10 15 20 25 30

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Calcita

Heulandita

Clinoptilolita

u.a

.



60

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0

50000

100000

150000

200000

250000

CQAQQQ

H

TT

A

H

AC

H

H

T

H

QH

HH

AH

H

H

Relación de Activador de 0.4

Inte

nsid

ad

(cp

s)

2

Zeolita s/activar

24 horas.

7 días.

14 días.

28 días.

90 días.

Figura 15. Difractogramas de rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN 10M,

curados a una temperatura de 40°C con relación del activador 0.4.

De manera general, en las muestras caracterizadas no se presentó la aparición

de nuevas fases cristalinas, solo permanecieron aquellas inicialmente

detectadas para la Zeolita sin activar: heulandita [(NaH2Al)(AlSiO)(H2O)],

anortita [(Ca,Na)(Al,Si)2Si2O8], calcita (CaCO3), cuarzo (SiO2) y tridimita (SiO2),

lo cual indica que las fases cristalinas no participan en las reacciones de

geopolimerización33 y que la solución alcalina solo disuelve la fracción amorfa.

En las Tablas 25, 26 y 27 se presentan los porcentajes de las fases cristalinas

presentes en los geopolímeros formados los cuales fueron preparados con una

solución de HN 10M, y relación de activador de 0.4, 1.5 y 15 respectivamente.


61

Fase % Fase %

Heulandita 58.7 Heulandita 60

Anortita 29.9 Anortita 28.1

Calcita 4.8 Calcita 6.3

Cuarzo 6.3 Cuarzo 5.1

Tridimita 0.3 Tridimita 0.5

Fase % Fase %

Heulandita 66 Heulandita 61.8

Anortita 19 Anortita 24.8




Tiempo de curado 28días

Tiempo de curado 24h. Tiempo de curado 7días


Fase %

Heulandita 55.3

Anortita 27.7

Calcita 10.9

Cuarzo 4.7

Tridimita 1.4


0 10 20 30 40 50 60 70 80

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

CQA

QQ

QTAT

H

H

A

H

C

H

H

HQ

H

H

HAH

H

H

Relación de Activador de 1.5

Inte

nsid

ad

(cp

s)

2

Zeolita s/activar

24 horas.

7 días.

14 días.

28 días.

90 días.

Tabla 25. Porcentajes de fases presentes en los geopolímeros preparados con HN 10M y relación de activador de 0.4, a diferentes tiempos de curado.

En la Figura 16 se presentan los difractogramas de Rayos X de las muestras preparadas con relación de activador de 1.5.

Figura 16. Difractogramas de Rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN 10M, curados a una temperatura de 40°C, con relación del activador 1.5.


62

Fase % Fase %

Heulandita 52.9 Heulandita 59.1





Fase % Fase %







Tiempo de curado 14días Tiempo de curado 28días

Fase %

Heulandita 60.4

Anortita 22.8

Calcita 9.6

Cuarzo 5.8

Tridimita 1.3


0 10 20 30 40 50 60 70 80

0

50000

100000

150000

200000

CQQQ AAT

TQQ

A

A

C

H HH

H

H

H

H

HA

Q H

H

Relación de Activador de 15

Inte

nsid

ad

(cp

s)

2

Zeolita s/activar

24 horas.

7 días.

14 días.

28 días.

90 días.

Tabla 26. Porcentajes de fases presentes en los geopolímeros preparados con HN 10M y relación de activador de 1.5, a diferentes tiempos de curado.

En la Figura 17 se presentan difractogramas de Rayos X de las muestras preparadas con relación de activador de 15.

Figura 17. Difractogramas de Rayos X de los geopolímeros formados con solución de HN 10M,

curados a una temperatura de 40°C, con relación del activador 15.


63

Fase % Fase %






Fase % Fase %






Tiempo de curado 14días Tiempo de curado 28días


Fase %

Heulandita 53.8

Anortita 27.9

Calcita 7.2

Cuarzo 5.6

Tridimita 5.5


Tabla 27. Porcentajes de fases presentes en los geopolímeros preparados con HN 10M y relación de activador de 15, a diferentes tiempos de curado.

Los cambios presentados son casi idénticos para todas las muestras. La

variación que existe para cada una de las muestras es solamente porcentaje de

fases cristalinas presentes, las cuales, como se mencionó anteriormente no

participan en la geopolimerización.

En las muestras curadas a tiempos de 28 y 90 días (Figuras 21 y 22), se

observa un ligero corrimiento junto con un incremento entre 20-30°2θ, lo cual

es característico de los geopolímeros.

Debido a que los productos de reacción formados son amorfos, los resultados

de DRX son de utilidad parcial, dado que no arrojan resultados seguros con

respecto al valor máximo de la región amorfa con la cantidad de iones alcalinos

en la geopolimerización.

8.3 Espectroscopia por Infrarrojo (IR)

La interpretación de los espectros obtenidos a partir de la caracterización de las

muestras se basó en los datos presentados en la tabla 28, la cual presenta las

principales vibraciones que exhiben los materiales geopolímericos de acuerdo

a la literatura33,34.


64

A continuación se muestran una serie de espectros de IR los cuales

representan las muestras preparadas con HN 10M curadas en tiempos de 24

horas, 7, 14, 28 y 90 días respectivamente, y a una temperatura de 40°C, Éstos

fueron seleccionados debido a que presentaron los mejores valores de

resistencia a la compresión en comparación con el cemento Portland comercial.

Tabla 28. Vibraciones principales presentes en materiales geopoliméricos

Longitud de onda (cm-1)

Tipo de Enlaces

3800-3450 Vibraciones O-H

3200-3400 Tipo -OH (H enlazado)

1650-1600 Vibraciones H-O-H

1460 Presencia de Na2CO3

950-1250 Vibraciones de tensión asimétrica Si-O-Si- y Al-O-Si

1165 Tensión asimétrica Si-O-Si

1115-1140 Tensión asimétrica Si-O-Si y Al-O-Si

1077 Tensión asimétrica Si-O-Si y Al-O-Si

950-980 Tensión Si-O (Si-O-R*)

913 Banda de enlace -OH (Al-OH)

882 Tensión Si-O y enlace -OH(Si-OH)

800 Vibraciones de AlO4

798 Tensión simétrica Si-O-Si

727 Tensión simétrica Si-O-Si y Al-O-Si

620 Tensión simétrica Si-O-Si y Al-O-Si

561 Tensión simétrica Al-O-Si

460-470 Enlaces Si-O-Si y O-Si-O


65

Figura 18. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 24 horas. con diferentes relaciones de activador.

Figura 19. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 7 días con diferentes relaciones de activador.

4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

40

60

80

100

1500 1000 500

Longitud de onda (cm-1

)

Relación Activador 0.4


Relación Activador 15

24 HORAS

Tra

nsm

itan

cia

(u

.a.)


4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

1500 1000





7 DÍAS

Tra

nsm

itan

cia

(u

.a.)



66


Figura 21. Espectros de infrarrojo de las muestras curadas a 28días con diferentes relaciones de activador.

4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

1500 1000 500





14 DÍAS

Tra

nsm

itan

cia

(u

.a.)


4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

40

50

60

70

80

90

100

1500 1000 500





28 DÍAS

Tra

nsm

itan

cia

(u

.a.)



67


En todas las Figuras anteriores se observan bandas aproximadamente a 3600

y 1630 cm-1 atribuidas a vibraciones de tipo O-H y H-O-H respectivamente.

Éstas bandas indican la presencia de enlaces débiles de moléculas de H2O que

se absorben en la superficie o que están atrapadas en las cavidades de la

estructura geopolimérica34 como se indica en la Figura 2.

En la Figura 18 se muestran los espectros curados a 24 horas, donde se

aprecia una diferencia en la formación de bandas según la relación del

activador (0.4, 1.5 y 15), se observa la formación de una banda alrededor de

los 1440 cm-1, ésta se atribuye a la presencian de Na2CO3, siendo más intensa

para la muestra preparada con relación del activador 15, la cual contiene mayor

cantidad de SN. Para entender el origen de ésta banda , debemos considerar

que la solución activadora aporta iones Na+ y OH-, donde los OH- disuelven las

especies de la zeolita y Na+ interactúa en la formación de la red geopolimérica

compensando las cargas del Al en coordinación tetraédrica. por otra parte

podemos observar la formación de una banda alrededor de 1250 cm-1 a 1000

cm-1, 750 cm-1 a 600 cm-1, las cuales se deben a una traslape de las bandas

4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

1500 1000 500

Longitud de onda (cm

-1)




90 DÍAS

Tra

nsm

itan

cia

(u

.a.)



68

debidas a vibraciones de tensión asimétrica Si-O-Si y Al-O-Si , se observa

también la formación de una banda aproximadamente a 880 cm-1 la cual se

debe al bandas de enlace –OH(SiOH), se observa otra diferencia en la banda

aproximadamente a 790 cm-1 la cual corresponde a la tensión simétrica Si-O-Si

y aproximadamente a 560 cm-1 observamos cambios en la banda

correspondiente a tensión simétrica Al-O-Si.

En la Figura 19 (muestras curadas a 7 días) podemos observar que las bandas

correspondiente a vibraciones del tipo O-H y H-O-H aproximadamente a 3600 y

1630 cm-1 respectivamente, son más prominentes para las muestra curada a 7

días debido a que hay una mayor cantidad de enlaces presentes, posiblemente

por la formación más intensa de una estructura geopolimérica, la cual incorporó

más iones OH- que en las muestras curadas a 24 horas. atribuidas a

vibraciones de tipo O-H y H-O-H respectivamente. Al igual que las muestras

curadas a 24 horas, éstas presentan la formación de la banda alrededor de los

1440 cm-1 observándose un cambio significativo en comparación las muestras

de la figura 18.

En la Figura 20 (muestras curadas a 14 días) se observan las bandas

correspondiente a vibraciones del tipo O-H y H-O-H aproximadamente a 3600 y

1630 cm-1 respectivamente, sin embargo ésta última presentan un

comportamiento diferente en la muestra preparada con relación del activador

15 (roja) la cual es más abierta y con mayor transmitancia. Al igual que las

muestras curadas a 24 horas. y 7días se observa la banda alrededor de 1440

cm-1 la cual corresponde a la presencia de Na2CO3, presentándose ésta un

poco recorrida hacia longitudes de onda mayores para la muestra con relación

del activador 15 en comparación con las otras muestras. En ésta figura también

podemos observar un corrimiento en la banda aproximadamente a 1000cm-1

correspondiente a un traslape de las bandas debidas a vibraciones de tensión

asimétrica Si-O-Si y Al-O-Si, esto nuevamente para la misma muestra. La

banda encontrada a 880 cm-1 se observa recorrida y con diferente

comportamiento con respecto a las otras muestras. La muestra preparada con

relación del activador 15 tiene comportamientos diferentes en comparación a

las otras muestras, lo cual puede deberse a que es la muestra preparada con


69

mayor cantidad de SN y en un tiempo de curado mayor por lo que podemos

definir que con mayor cantidad de silicio ha precipitado y se ha inhibido la

geopolimerización.

La muestra curada a 28 días ver Figura 21, se observan las bandas

correspondiente a vibraciones del tipo O-H y H-O-H aproximadamente a 3600

y 1630 cm-1 respectivamente, en la cual no se presenta cambio alguno entre

las muestras con relación del activador 0.4 y 15, la banda encontrada a 1440

cm-1 aproximadamente se muestra recorrida a longitudes de onda mayores

para la muestra con relación del activador 15, las otras bandas encontradas en

el espectro no se observan cambios entre las muestras.

En la Figura 22 (muestras curadas a 90 días) se observan las mismas bandas

que en las figuras anteriores, presentando cambios nuevamente para la

muestra preparada con relación del activador 15, la cual, como se mencionó

anteriormente es la que contienen mayor cantidad de SN.

8.4 Microscopía Electrónica de Barrido

En las siguientes figuras se presentan las micrografías obtenidas mediante

microscopía electrónica de barrido de la zeolita sin activar (ver figura 7) y del

geopolímero que mostró la mayor resistencia mecánica de todos los sistemas

estudiados, curado a 1, 28 y 90 días con la finalidad de analizar su evolución

microestructural. La zeolita sin activar tiene un tamaño de partícula promedio

(dp80) menor a 100 m. La relación atómica Si/Al presentada por la materia

prima fue de aproximadamente 5.

La Figura 23 muestra la micrografía y el EDS del geopolímero preparado con

solución Hidróxido de Sodio 7 Molar y relación activador de 15, curado a 1 día y

temperatura de 80C, en donde se presentan dos zonas de zeolita

reaccionadas, observándose la presencia de Na y un aumento en la relación

Si/Al (8) con la incorporación de los activadores. Se observa además una

matriz de productos muy densa y muy poca porosidad presente.


70

Figura 23. Caracterización de la zeolita activada (geopolímero). a) Microfotografía del geopolímero; b) Caracterización química por EDS de los productos de reacción (X); c)

Caracterización química por EDS del área oscura de la fotografía (Y)

En las Figuras 24 y 25 se presentan las micrografías y los EDS para el mismo

geopolímero (Solución HN 7M y relación del activador 10) curado a 28 y 90

días respectivamente a temperatura de 40C. Se observa también una matriz

densa de productos de reacción con muy poca porosidad y con una

modificación en la relación Si/Al, llegando a incrementarse hasta 11.5 para la

muestra curada a 90 días, sin embargo, presenta composiciones variables, lo

que indica la presencia de gel (con muy altas relaciones Si/Al) y productos

geopoliméricos en donde a 28 días en la zona a se encontró una relación de 3.

X

Element Wt% At%

OK 19.47 31.34

NaK 9.05 10.14

MgK 0.95 1.00

AlK 4.88 4.66

SiK 40.48 37.13

KK 2.23 1.47

CaK 20.28 13.03

FeK 2.67 1.23

Total 100.00 100.00

Element Wt% At%

OK 18.74 29.90

NaK 12.64 14.03

MgK 1.77 1.86

AlK 5.81 5.49

SiK 38.37 34.86

KK 1.58 1.03

CaK 17.73 11.29

FeK 3.36 1.54

Total 100.00 100.00

Y

a) b)

a)

10µm

c)


71

Figura 24. Caracterización de la zeolita activada (geopolímero). a) Microfotografía del geopolímero; b) Caracterización química por EDS de la zona lisa (X); c) Caracterización

química por EDS del zona rugosa de la fotografía (Y)

10µm

Element Wt% At%

OK 20.30 31.48

NaK 4.44 4.79

AlK 15.00 13.80

SiK 48.25 42.62

KK 9.17 5.82

CaK 1.37 0.85

FeK 1.46 0.65

Total 100.00 100.00

Element Wt% At%

OK 23.39 35.51

NaK 4.92 5.20

MgK 1.14 1.14

AlK 7.74 6.97

SiK 52.29 45.48

KK 2.47 1.54

CaK 4.67 2.83

FeK 3.07 1.34

Total 100.00 100.00

X

a)

Y

b) c)

10µm


72

Figura 25. Caracterización de la zeolita activada (geopolímero). a) Microfotografía del geopolímero; b) Caracterización química por EDS de los productos de reacción (X); c)

Caracterización química por EDS de los productos de reacción fotografía (Y).

8.5 Microanálisis

Se llevaron a cabo análisis puntuales para determinar la composición química

de los productos de reacción formados. Para cada relación de activador

seleccionado se tomaron 10 microanálisis de forma aleatoria en la matriz de

productor de reacción, se cuantificaron los elementos principales que

conforman la materia prima y los geopolímeros, estos son: Si, Al y Na. Los

resultados se presentan gráficamente en términos de relaciones Na/Al vs Na/Si

y Na/Al vs Si/Al.

En la siguiente serie de figuras se presentan análisis de las muestras

preparadas con solución de Hidróxido de Sodio 10M, curados en un tiempo y

temperatura de 28 días y 40°C para las diferentes relaciones de activador

Element Wt% At%

OK 36.69 50.59

NaK 0.66 0.63

MgK 0.27 0.25

AlK 0.88 0.72

SiK 59.37 46.64

CaK 2.13 1.17

Total 100.00 100.00

Element Wt% At%

OK 16.79 27.74

NaK 2.35 2.70

MgK 0.75 0.82

AlK 4.62 4.53

SiK 55.32 52.07

K K 2.10 1.42

CaK 11.70 7.71

FeK 6.38 3.02

Total 100.00 100.00

10µm

Y

a) b) c)

X a)


73

empleadas (0.4, 1.5 y 15). Los resultados se presentan gráficamente en

términos de relaciones Na/Al vs Na/Si (a) y Na/Al vs Si/Al (b).

Microanálisis de Muestras preparadas con relación de activador de 0.4

La Figura 26 presenta los resultados para la muestra curada en un tiempo de

24 horas. Los datos de la figura 26(a) representan las relaciones Na/Al vs

Na/Si, los microanálisis presentan composición variable y los valores de la

relación Na/Al aumentan con la relación Na/Si, los datos presentan una

tendencia lineal con dispersión, obteniendo la regresión lineal, la pendiente

representa la relación Si/Al con valor igual a 10.4408 y la correlación resultante

es 0.7855.

La Figura 26(b) representa los resultados de la relación Na/Al vs Si/Al,

podemos observar que nuevamente existe una tendencia lineal con dispersión,

la pendiente en este caso representa la relación Na/Si que corresponde a la

composición de la matriz de productos de reacción, con valor de 0.6578 y una

correlación de 0.8.

Figura 26. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 0.4 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si

(a) y Na/Al vs Si/Al (b).

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

0

1

2

3

4

5

6(a) Relación Si/Al 24 horas

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Na/Si

Relación Si/Al en la matriz

Pendiente: 10.4408

Correlación: 0.7855

3 4 5 6 7 8 9

0

1

2

3

4

5(b) Relación Na/Si 24 horas

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al

Relación Na/Si en la matriz

Pendiente: 0.65782



74

La Figura 27 presenta los resultados para la muestra preparada con una

relación del activador de 0.4 a un tiempo de curado de 7días. Los datos se

graficaron de la misma manera que la muestra anterior. Los valores de la

relación Na/Al aumentan con la relación Na/Si, los datos presentan una

tendencia lineal con dispersión, obteniendo la regresión lineal, la pendiente

representa la relación Si/Al (27a) con valor igual a 8.4297 y la correlación

resultante es 0.8571, en comparación con los resultados de las muestras

curadas en un período de tiempo de 24 horas, esta relación de Si/Al es menor,

por lo que se puede determinar que el tiempo de curado favorece a la

formación geopolímeros a partir de zeolita activada por álcalis.

Figura 27. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 0.4 a un tiempo de curado de 7 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si (a)

y Na/Al vs Si/Al (b).

La Figura 27(b) representa los resultados de la relación Na/Al vs Si/Al




correlación de 0.8697

3 4 5 6 7 8 9 10

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5(b) Relación Na/Si 7 días

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al


Pendiente: 0.5023


0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5(a) Relación Si/Al 7 días

Rela

co

ón

Na/A

l

Relación Na/Si


Pendiente: 8.4297



75

Los datos obtenidos de los microanálisis de la matriz para la muestra curada a

14 días se presentan en la Figura 28, donde se puede observar que la

tendencia de ambas figuras es la misma a las descritas anteriormente. Para la

figura 28a el valor de la pendiente, la cual representa la relación Si/Al en la

matriz es de 8.2409, mientras que la correlación es de 0.8724, lo que indica

nuevamente que con el paso del tiempo de curado, la relación sigue

disminuyendo, provocando así una mayor disolución de Si y Al a partir de la

zeolita activada por álcalis.

Figura 28. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 0.4 a un tiempo de curado de 14 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si


Para la Figura 28b, los valores de la pendiente que representa la relación Na/Si

en la matriz y la correlación son de 0.1776 y 0.8900 respectivamente.

La Figura 29 presenta los datos obtenidos de los microanálisis de la matriz para

la muestra curada a 28 días, la tendencia de ambas figuras es la misma a las

descritas anteriormente. De la figura 29a se obtiene la relación Si/Al de los

productos de reacción con valor de 5.6965 siendo la correlación igual a 08838.

Los datos graficados en la Figura 29b, presentan una pendiente (relación Na/Si

en la matriz) de 0.3109 y una correlación de 0.9049.

5 6 7 8 9 10

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6


Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al


Pendiente: 0.1776


0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6



Pendiente: 8.2409


Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Na/Si


76



Correlacionando los resultados podemos observar que la relación Si/Al

disminuye con el tiempo de curado, por lo que se puede determinar que a

mayor tiempo de curado, se lleva a cabo una mayor disolución de Al y Si a

partir de la zeolita bajo el ataque alcalino, por lo que, la matriz de productos de

reacción contienen mayor cantidad de gel geopolimérico, dando así mejores

propiedades de resistencia a la compresión al geopolímero sintetizado.

Microanálisis de Muestras preparadas con relación de activador de 1.5


relación del activador de 1.5 a un tiempo de curado de 24 horas. Los datos de

la Figura 30(a) representan las relaciones Na/Al vs Na/Si, los microanálisis

presentan composición variable y los valores de la relación Na/Al aumentan

con la relación Na/Si, los datos presentan una tendencia lineal con muy poca

dispersión, obteniendo la regresión lineal, la pendiente representa la relación

Si/Al con valor igual a 11.3196 y la correlación resultante es 0.9638.

Comparando estos resultados con los vistos en la figura 26a, se observa que la

relación Si/Al aumenta con el mismo tiempo de curado, esto significa que con el

aumento de la relación activadora (SN/HN) de 0.4 a 1.5, se tiene una mayor

2 4 6 8 10 12 14

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5


Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al


Pendiente: 0.3109


0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36

0.5

1.0

1.5

2.0



Pendiente: 5.6965


Relación Na/Si

Rela

co

ón

Na/A

l


77

cantidad de Sílice, y es más difícil que se disuelva en el medio alcalino, sin

embargo, tomando en cuenta los resultados de resistencia a la compresión, la

relación de activador de 1.5 fue el que presentó mayores valores para casi

todos los sistemas.


podemos observar que nuevamente existe una tendencia lineal con poca

dispersión, la pendiente en este caso representa la relación Na/Si que

corresponde a la composición de la matriz de productos de reacción, con valor

de 0.5116 y una correlación de 0.9452.

Figura 30. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 1.5 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si



relación del activador de 1.5 a un tiempo de curado de 7días. Los microanálisis

presentan composición variable y los valores de la relación Na/Al aumentan

con la relación Na/Si, los datos presentan dispersión notable, obteniendo la

regresión lineal, la pendiente representa la relación Si/Al (31a) con valor igual a

9.6532 y la correlación resultante es 0.6719. La relación Si/Al, disminuye en

relación a las muestras curadas por 24 días, lo cual indica que el tiempo de

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0(a) Relación Si/Al 24 horas

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Na/Si


Pendiente: 11.3196


4 6 8 10

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0 (b)Relación Na/Si24 horas

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al


Pendiente: 0.5116



78

curado favorece la disolución de Si y Al a partir de la zeolita bajo el ataque

alcalino.

Figura 31. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 1.5 a un tiempo de curado de 7 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si (a)



podemos observar que nuevamente existe una tendencia lineal con una mayor

dispersión que en las muestras anteriores, la pendiente en este caso

representa la relación Na/Si que corresponde a la composición de la matriz de

productos de reacción, con valor de 0.1035 y una correlación de 0.4648, el cual

es un valor muy pobre.


14 días se presentan en la Figura 32, donde se puede observar que la

tendencia de ambas figuras es la misma a las descritas anteriormente. Para la

figura 32a el valor de la pendiente, la cual representa la relación Si/Al en la

matriz es de 7.7974, mientras que la correlación es de 0.8684. Estas muestras

presenta menor dispersión, y se puede determinar que la disminución de la

relación Si/Al, contribuye a una mayor disolución de Si y Al en la matriz de

productos de reacción.

0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

(a) Relación Si/Al 7 días

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Na/Si


Pendiente: 9.6532


4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4


Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al


Pendiente: 0.1035



79

Para la Figura 32b, los valores de la pendiente que representa la relación Na/Si

en la matriz y la correlación son de 0.4066 y 0.8861, respectivamente.



La Figura 33 presenta los datos obtenidos de los microanálisis de la matriz para

la muestra curada a 28 días, la tendencia de ambas figuras es la misma a las

descritas anteriormente. De la figura 33a se obtiene la relación Si/Al de los

productos de reacción con valor de 7.6388 siendo la correlación igual a 0.9580.



0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0

1

2

3

4 (a) Relación Si/Al 14 días

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Na/Si


Pendiente: 7.7974


3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0 (b) Relación Na/Si 14 días

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al


Pendiente: 0.4066


0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

1

2

3

4

5

6

7

8(a)

Relación Si/Al 28 días

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Na/Si


Pendiente: 7.6388


4 5 6 7 8 9 10

1

2

3

4

5

6

7

8(b)

Relación Na/Si 28 días

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al


Pendiente: 1.9679



80



Correlacionando los datos presentados en la serie de gráficas anteriores, se

puede determinar que la relación Si/Al disminuye con el tiempo de curado y

generando una mayor disolución de Si y Al en la matriz de productos de

reacción. El aumento en la relación de activador (SN/HN), aumenta la relación

Si/Al, con un mismo tiempo de curado debido a que aumenta la cantidad de

sílice presente en el sistema.

Microanálisis de Muestras preparadas con relación de activador de 15

La Figura 34 presenta los datos de la muestra preparada con solución de HN

10M y una relación de activador de 15, a un tiempo de curado de 24 horas, la

tendencia de ambas figuras es la misma a las descritas anteriormente. De la

Figura 35a se obtiene la relación Si/Al de los productos de reacción con valor

de 18.1852 siendo la correlación igual a 0.8959. Comparando estos resultados

con los vistos en la figura 26a y 30a, se observa que la relación Si/Al aumenta

con el mismo tiempo de curado, esto significa que con el aumento de la

relación activadora (SN/HN) de 0.4 a 1.5 y 15, se tiene una mayor cantidad de

Sílice, y es más difícil que se disuelva en el medio alcalino, lo cual fue evidente

en los resultados de resistencia a la compresión, en donde la relación de

activador de 15 no fue favorable en el desarrollo de esta propiedad.




81

Figura 34. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 15 a un tiempo de curado de 24 horas, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si



7 días se presentan en la Figura 35, De la figura 49a se obtiene la relación Si/Al

de los productos de reacción con valor de 12.7060 siendo la correlación igual a

0.8210.



4 6 8 10 12 14 16

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0(b) Relación Na/Si 24 horas

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al


Pendiente: 0.3198


0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5 (a)Relación Si/Al 24 horas

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Na/Si


Pendiente: 18.1852



82

Figura 35. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 15 a un tiempo de curado de 7 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si (a)



relación del activador de 15 a un tiempo de curado de 14días. Los microanálisis

presentan composición variable, los datos presentan una tendencia lineal con


Si/Al (36a) con valor igual a 9.1818 y la correlación resultante es 0.6866.

Figura 36. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 15 a un tiempo de curado de 14 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si


0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4(a) Relación Si/Al 7días

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Na/Si


Pendiente: 12.7060


5 6 7 8 9 10 11

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4(b) Relación Na/Si 7días

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al


Pendiente: 0.2866


0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5(a) Relación Si/Al 14días

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Na/Si


Pendiente: 9.1808


4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0 (b) Relación Na/Si 14 días

Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al


Pendiente: 0.3576



83






La Figura 37 representan la muestra con un tiempo de curado de 28 días, en la

figura 37(a) se observa que los datos presentan una tendencia lineal con poca


Si/Al con valor igual a 7.6492 y la correlación resultante es 0.9359.

La Figura 37(b) representa los resultados de la relación Na/Al vs Si/Al. La

pendiente en este caso representa la relación Na/Si que corresponde a la



Figura 37. Datos obtenidos de los microanálisis la muestra preparada con relación del activador de 15 a un tiempo de curado de 28 días, graficados en la forma de relaciones Na/Al vs Na/Si


Realizando la correlación de las gráficas anteriores, se determina que el

aumento del tiempo de curado favorece la disolución de Si y Al en la matriz de

productos de reacción, y el aumento de la relación activadora de 0.4, 1.5 y 15,

aumenta la relación Si/Al, lo que hace más difícil de disolver, sin embargo,

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0


Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Na/Si


Pendiente: 7.6492


3 4 5 6 7 8 9

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0


Rela

ció

n N

a/A

l

Relación Si/Al


Pendiente: 0.3596



84

estos resultados se han determinado bajo las mismas condiciones de solución

HN 10M y temperatura de curado de 40°C, y complementan los resultados de

resistencia a la compresión, con los cuales se determinó que la condición

óptima de relación activador (SN/HN) bajo estas condiciones de trabajo es de

1.5.


85

CAPÍTULO IX

MECANISMO DE REACCIÓN PROPUESTO

Como se mencionó en el Capítulo 2, el mecanismo exacto por el cual la

geopolimerización y el endurecimiento ocurre no ha sido totalmente

esclarecido, basándome en los resultados obtenidos y en que la mayoría de los

mecanismos propuestos consisten en la disolución, transportación y

reprecipitación (policondensación), el mecanismo por el cual la

geopolimerización de la zeolita ocurre se propone de la siguiente manera.

Como primer paso se lleva a cabo la disolución parcial de zeolita como

resultado de la lixiviación alcalina con el hidróxido de sodio. El mecanismo de

lixiviación alcalina de zeolitas se denomina desilicación cuando se libera el

silicio de la estructura y dealuminación cuando se libera el aluminio. El proceso

de disolución en presencia de bases (NaOH, KOH, NH4OH, etc.) ha sido

revisado extensamente en el tema de generación de mesoporos en zeolitas

sintéticas y naturales35,36,37, así como en materiales geopoliméricos6,20. La

disolución de una fracción de la zeolita, en presencia de NaOH, presenta una

cinética rápida. La desilicación ocurre de manera favorable en la mayoría de las

zeolitas naturales de relaciones altas Si/Al (la concentración de Si es mucho

mayor a la del Al), en relaciones bajas la dealuminación ocurre en una

extensión definida por factores definidos por la concentración de la base y la

energía del mineral (que involucra la energía del plano cristalino y la energía de

solvatación del catión). En relación a la cantidad lixiviada se observa que existe

una mayor disolución cuando se incrementa la relación Si/Al de la zeolita. Es

necesario considerar que en el presente trabajo se emplean concentraciones

de NaOH elevadas (7, 10 y 14M de NaOH).

Xu (2000)6, Indica que, en el caso de minerales naturales como la clinoptilolita,

la disolución de Si y Al sigue una relación cercana a 0.93. Por lo tanto, Si y Al

parecen tener disolución sincronizada en solución alcalina, lo cual significa que

el Si y Al, puede disolverse de la superficie de la zeolita en forma ligada.


86

Figura 38. Desililicación alcalina de zeolita

37

La lixiviación del aluminio, debido a la desilicación básica o ácida mediante

NaOH se muestra en el siguiente esquema, modificado de Groen, 200435.

Figura 39. Lixiviación del aluminio debido a la desilicación básica mediante NaOH.

La lixiviación de aluminio debido a la dealuminación alcalina se muestra en el

siguiente esquema, modificado de Groen, 200435.

Solución NaOH

Desilicación + Si(𝑂𝐻)4 (𝐿𝑖𝑞)

NaSiO∙(OH)3

NaOH

+


87

Figura 40. Lixiviación de aluminio debido a la dealuminación alcalina (Groen, 2007).

El segundo paso es la formación del precursor del geopolímero

Después de la disolución del Al y Si presentes en la zeolita se genera un

producto hidratado, para lo cual, los iones OH- que provienen de la solución

alcalina de NaOH, reaccionan con la superficie sólida del Al-Si formando

-OSi.(OH)3 y Al(OH)4-, iones de ácido divalente ortosilícico y ácido trivalente

ortosilícico respectivamente. Así mismo, los iones de Na+ se incorporan a la

red reaccionando con Al(OH)4- y -OSi(OH)3, balanceando las cargas

electrostáticas, Na+ +-SiO.(OH)3, Na+Al(OH)4-, actuando como monómeros, en

la primera etapa del proceso de geopolimerización, dando lugar a los

precursores geopoliméricos, participando en las reacciones de hidratación,

dimerización y polimerización.

Estos precursores generan un gel de aluminosilicatos, el cual se difunde hacia

el exterior, desde la superficie de la partícula en los espacios intersticiales entre

las partículas más grandes con precipitación de gel y la disolución concurrente

del nuevo sólido.

Al(OH)4

NaOH

Dealuminación

+


88

( ) ( )4 + +

Por último, formado el precursor geopolimérico, se genera el geopolímero

basado en la propuesta de Xu, 2000.

(( ) ( ) )

Posteriormente, cuando la fase de gel se endurece, tanto los productos de

hidratación, como las partículas de zeolita sin reaccionar permanecen unidas

por el gel formado, el cual actúa como aglutinante, confiriéndole la dureza

observada al material resultante.

El geopolímero posee una estructura amorfa, por lo que los análisis de DRX no

detectan el incremento de las fases, su síntesis requiere de condiciones

hidrotermales similares a las existentes en la síntesis de zeolitas.


89

CAPÍTULO X

RESISTENCIA A SULFATOS

Adicional al trabajo realizado en esta investigación, se realizó un estudio a los

geopolímeros sintetizados con mejores resultados de resistencia a la

compresión, el cual consiste, en determinar la durabilidad de éstos en un

ambiente de sulfatos, Dos tipos de sulfatos fueron utilizados para determinar la

resistencia de la zeolita natural con ataque de sulfatos. Las pruebas se

efectuaron mediante la inmersión de cubos (5x5x5cms) en soluciones de 5%

de sulfato de sodio y 5% de sulfato de magnesio. Los parámetros a evaluar

fueron la resistencia mecánica a la compresión y cambios microestructurales.

9.1 Metodología Experimental

9.1.1 Preparación de las soluciones de sulfato

La preparación de las soluciones de sulfato se realizó mediante la Norma

ASTM C 1012-95ª[38].Las soluciones de sulfato contienen 352 moles de Na2SO4

por m3 (50g/L). De igual manera, las muestras fueron expuestas en soluciones

de MgSO4, preparadas bajo las mismas condiciones. Los materiales químicos

utilizados fueron de grado técnico con alta pureza. Cada litro de solución de

sulfatos preparados contienen 50g de Na2SO4/MgSO4 disueltos en 900 mL de

agua, y diluidos con agua destilada para obtener 1.0 L de solución.

9.1.2 Preparación de muestras para el ataque con sulfatos

Los cubos fueron curados a 40°C por un período de tiempo de 28días, una vez

que alcanzarán una resistencia de 20 MPa. Éstos serían expuestos a las

soluciones de sulfato para determinar su resistencia en este tipo de ambiente

por un período de tiempo de 1, 7, 14, 28 y 180 días. Una vez fracturado el

cubo, los trozos se prepararon para detener su reactividad mediante el


90

tratamiento con acetona por 20 minutos39, posteriormente se guardó en bolsa

con cierre hermético.

9.1.3 Caracterización de geopolímeros en ambiente de sulfatos

La caracterización del material en ambiente de sulfatos se efectuó mediante

difracción de rayos X (DRX) y FTIR. La preparación de las muestras para DRX

y FTIR involucró a un tamaño de partícula menor a 100 m, El concreto fue

preparado empleando CP comercial y arena estándar de acuerdo a las

características definidas por las Normas ASTM C778-00 y ASTM C150-05[40,41]

y siguiendo el procedimiento descrito en la Norma ASTM C109/C109M-0542 y al

igual que la zeolita activada por álcalis se llevó a cabo la prueba en inmersión

de sulfatos.

La reducción de la resistencia a la compresión se calculó mediante la siguiente

ecuación:

Ec. 5

Reducción de la Resistencia %100*

A

BA

En donde A es el promedio de la resistencia a la compresión de 3 cubos

curados a temperatura y tiempo de curado de 40°C y 28días y B es el promedio

de la resistencia a la compresión de 3 cubos después de la inmersión de la

soluciones de 5% de los diferentes sulfatos utilizados.

9.2 Resultados y discusión

El material sintetizado a una temperatura de curado de 40°C a partir de la

relación de activador de 1.5 presenta los valores de resistencia a la compresión

más altos (38.2 MPa), siendo mayores hasta en un 30% que los presentados

por el cemento Portland (29.05MPa). El incremento en la relación activador



91

reacción de geopolimerización contribuyendo a la formación de gel,


9.2.1 Reducción en la resistencia a la compresión

La evolución de resistencia a la compresión de los especímenes expuestos a la

solución de sulfato de sodio y sulfato de magnesio se muestra en la figura 41 y

42, respectivamente. La reducción de la resistencia a la compresión se

observa tanto para el geopolímero natural como para el CP, siendo mayor para

éste último en ambos ambientes. Por ejemplo, después de los 6 meses de

inmersión en soluciones de sulfatos, la reducción de resistencia a la

compresión para el CP fue de 31% en solución de sulfato de sodio y 39% en

sulfato de magnesio, mientras que para el geopolímero natural fue de 21% y

26% respectivamente Ver Tabla 29 y 30. Para ambos materiales la reducción

de la resistencia a la compresión fue mayor en la solución de sulfato de

magnesio que en la solución de sulfato de sodio, siendo más significativa en

ambas soluciones para el CP.


92

0 días 1 días 7 dias 14 días 28 días 60 días 90 días 180 días

29.05 29.03 28.83 28.18 25.85 24.71 23.24 19.90

38.20 38.20 38.05 37.26 35.30 33.22 32.09 30.16

Cemento Portland Ordinario (CPO)

Zeolita Natural Activada

Reducción de la resistencia mecánica en ambiente de Na2SO4 (Mpa)

0 días 1 días 7 dias 14 días 28 días 60 días 90 días 180 días

29.05 29.02 28.18 26.44 24.99 23.39 22.37 17.45

38.20 38.20 37.28 36.29 34.38 32.47 31.32 28.24

Cemento Portland Ordinario (CPO)

Zeolita Natural Activada

Reducción de la resistencia mecánica en ambiente de Na2SO4 (Mpa)

Tabla 29. Reducción de la resistencia a la compresión del CP y Zeolita natural ante un ambiente de Na2SO4.

Tabla 30. Reducción de la resistencia a la compresión del CP y Zeolita natural ante un ambiente de MgSO4.


93

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40R

esis

tencia

a la C

om

pre

sió

n (

MP

a)

Tiempo (Días)

Zeolita Na2SO

4

Cemento Na2SO

4

Figura 41. Evolución de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP, inmerso en una

solución al 5% de Na2SO4.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

Resis

tencia

a la C

om

pre

sió

n (

MP

a)

Tiempo (Días)

Zeolita MgSO4

Cemento MgSO4

Figura 42. Evolución de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP, inmerso en una solución al 5% de MgSO4.


94

El porcentaje de reducción de la resistencia a la compresión para ambos

materiales se muestra en las figuras 43 y 44. En los primeros 30 días de

exposición en las soluciones de sulfatos la reducción de la resistencia era

similar para ambas muestras, sin embargo a partir de este tiempo, la reducción

de la resistencia del CP era más que la del geopolímero natural.

Figura 43. Reducción de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP sujeto a ataque de sulfatos inmerso en una solución al 5% de Na2SO4.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0

5

10

15

20

25

30

35

Reducció

n d

e R

esis

tencia

(%

)

Tiempo (Días)

Zeolita Na2SO

4

Cemento Na2SO

4


95

0 20 40 60 80 100 120

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Zeolita MgSO4

Cemento MgSO4

Reducció

n d

e R

esis

tencia

(%

)

Tiempo (Días)

Figura 44. Reducción de la resistencia a la compresión del geopolímero y CP sujeto a ataque

de sulfatos inmerso en una solución al 5% de MgSO4.

El ataque de sulfato sobre el CP es caracterizado por la reacción química de

iones de sulfato como la sustancia agresiva y el componente aluminato de la

pasta de cemento endurecida43,44. La reacción entre estas sustancias, si

bastante agua está presente, produce etringita y yeso y causa la expansión en

CP generando grietas. Al mismo tiempo que el ataque de sulfato, el ataque de

iones de magnesio y, a un grado menor, los iones de sodio sobre C-S-H

comienza cuando CH es agotado14,45,46. Este ataque conduce a la precipitación

de yeso y la descalcificación C-S-H. La descalcificación de C-S-H destruye la

capacidad de unión del C-S-H y conduce a una pérdida de adherencia y

resistencia en el CP.

Estudios anteriores de ataque de sulfatos a CP muestran que las reacciones

implican C-S-H y el componente aluminato de la pasta de cemento endurecida

15,44. Como resultado de estas reacciones expansión y grietas son causados

directa o indirectamente, por la formación de etringita y yeso, mientras el

ablandamiento y la desintegración son causados por la destrucción de C-S-H.

La deterioración en el caso del ataque con sulfato de magnesio es más severa

que el ataque con sulfato de sodio. Por lo cual consideramos importante


96

estudiar la durabilidad de nuestro geopolímero formado en soluciones sulfato

de sodio y sulfato de magnesio.

De acuerdo con los resultados obtenidos por Taylor y Gollop14 y Gollop y

Taylor47, quienes concluyeron que la formación de etringita era el principal

mecanismo de deterioro en pastas de CP a las en C3A o mezclas con una

pequeña cantidad de escoria. Estos investigadores también observaron que la

formación de etringita en CP fue mínima con CP resistentes al ataque de

sulfatos debido al bajo contenido de C3A14,44. Del mismo modo, la formación de

etringita es baja con mezclas altas en escoria, debido a que la escoria es rica

en aluminio el cual no está en la forma disponible para reaccionar14.

9.2.2 Difracción de Rayos-X

Los análisis de XRD (ver figura 45) de las muestras de CP y el geopolímero

formado muestran diferentes productos de reacción. Después de 6 meses de

exposición en las soluciones de sulfato de sodio, las muestras de Zeolita

natural muestran una disminución en todas las fases presentes con respecto a

las muestras expuestas a soluciones de sulfato de magnesio. Por otra parte,

tanto para muestras expuestas a Na2SO4 y MgSO4 no se observa la presencia

de etringita o yeso, mientras que en muestras de CP expuestas a solución

MgSO4 se observa la presencia de etringita.


97

Figura 45. Espectros de DRX del geopolímero formado y CP inmersos durante 6 meses en soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4. E-Etringita, C-Clinoptilolita, Ca-Calcita, S-Sílica,

H-Heulandita.

Los resultados de DRX se correlacionan con las observaciones visuales. Tanto

el geopolímero natural como el CP no presentan deterioro durante la

exposición a las soluciones de sulfato de sodio, y en el análisis de DRX no se

encontraron etringita y yeso presentes. Las muestras de CP expuestas a

soluciones de MgSO4 presentaron grietas pequeñas en la superficie y

presentaban expansión y a partir de los resultados de DRX encontramos la

presencia de etringita.

9.3.3 Espectroscopia por Infrarrojo (IR)

En la figura 46 se observan los espectros de las muestras que estuvieron

inmersas en soluciones de 5% de sulfato de sodio y 5% de sulfato de magnesio

durante un periodo de 180 días tomando como referencia la muestra de

geopolímero formado activada con solución HN 10M, relación del activador 1.5

a una temperatura y tiempo de curado de 40°C y 28días.

0 10 20 30 40 50 60 70

-10000

0

10000

20000

30000

40000

50000E : Ettringita

C : Clinoptilolita

Ca: Calcita

S : Silicon

H : Heulandita

C-S-H:Silicato de Calcio Hidratado

CaCCCHHC

C

C-S-H

Geopolymero Na2SO

4

E

C

C

C

Ca

C

S

SS

S

S

CC

C

C

C

C

C-S-H

C

C

C

Ca Ca

Ca

Ca Ca

Ca

C

CC

CH

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

CC

C

Cemento MgSO4

Cemento Na2SO

4

Geopolymero MgSO4

Zeolita Natural

inte

nsid

ad

(cp

s)

2


98

Figura 46. Espectros de FTIR del geopolímero formado y CP inmersos durante 6 meses en soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4.

De una manera más detallada en la figura 47 se observan estos mismos

espectros en los que podemos ver que las diferencia que se generaron a partir

de la inmersión en soluciones de sulfatos. Entre las muestras de geopolímero

inmersas en ambas soluciones no se encuentras diferencias entre sí, sin

embargo comparándolas con la geopolímero no atacado las diferencias son

notorias, se observa un cambio en la intensidad de la banda encontrada

aproximadamente a 3100 cm-1 y 3700 cm-1 correspondiente a vibraciones tipo –

OH (H enlazado), así como en la región comprendida entre 2910-2840 cm-1 y

1640 cm-1 asignadas a vibraciones H-O-H. Éstas bandas están ligadas a la

presencia de enlaces débiles de moléculas de H2O que se absorben en la

superficie o que están atrapadas en las cavidades de la estructura

geopolimérica, indicando humedad en el sistemas con respecto a la zeolita

activada, de igual manera se observan cambio en las vibraciones a 1450 cm-1,

la cual corresponde a vibraciones por la presencia de de Na2CO3, la presencia

4000 3000 2000 1000 0

50

100

150

200

250

300

350

400

Zeolita s/Activar

Cemento Na2SO

4

Cemento MgSO4

Zeolita MgSO4

Zeolita Na2SO

4

Longitud de Onda (cm-1)

Tra

nsm

itan

cia

(u

.a)


99

de esta banda puede ser debida a la solución activadora ya que ésta aporta

iones Na+ y OH-, los OH- disuelven las especies de Zeolita y el Na+ interactúa

en la formación de la red geopolimérica compensando las cargas de Al en

coordinación tetraédrica[5].

4000 3000 2000 1000 0

0

50

100 Zeolita Natural

Cemento Na2SO

4

Cemento MgSO4

Geopolymero MgSO4

Geopolymero Na2SO

4


Tra

nsm

itan

cia

(u

.a)

Figura 47. Espectros de FTIR con aumento, del geopolímero formado y CP inmersos durante 6 meses en soluciones al 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4.

En las bandas localizadas en longitudes de onda menores, 600-500 cm-1, no se

observan cambios significativos entres las intensidades de las bandas, éstas

bandas corresponden a tensión simétrica Al-O-Si, las cuales están

relacionadas con la formación de geopolímeros.

Analizando el CP, se observan los mismos cambios que en el geopolímero

natural, sin embargo éstos son más significativos y a diferencia de las pruebas

de geopolímero no atacado, éste material si presenta diferencias entre la

inmersión en diferentes tipos de sulfatos teniendo mayores cambios el CP

inmerso en soluciones de sulfato de magnesio.


100

CAPÍTULO XI

CONCLUSIONES

En base al análisis de resultados se establecen las siguientes conclusiones:

El análisis de resultados indica que la resistencia a la compresión de la zeolita

tratada mediante solución de hidróxido de sodio y silicato de sodio se

incrementa a valores similares, e incluso mayores al del Cemento Portland

comercial. El material sintetizado a una temperatura de curado de 40°C a partir

de la relación de activador de 1.5 con solución de HN 10M, presenta los valores

de resistencia a la compresión más altos (38.2 MPa), siendo mayores hasta en

un 30% que los presentados por el cemento Portland (29.05MPa), por lo que

los resultados revelan una posibilidad real de emplear a la zeolita activada con

solución alcalina “geopolímeros” como un material de reemplazo de cemento

Portland.

De manera general se observa que los geopolímeros sintetizados presentan un

incremento muy importante en la resistencia a la compresión en la primera

semana de curado, presentándose la resistencia más baja en las pruebas

efectuadas a temperatura ambiente. El periodo de curado de las pruebas a

temperatura ambiente favorece la resistencia del geopolímero, tal como lo

demuestran los valores de compresión de las pruebas a 90 días. El material

sintetizado a una temperatura de curado de 40°C presenta los valores de

resistencia a la compresión más altos, siendo incluso mayores a los

presentados por el cemento portland. A temperaturas mayores (60°C y 80°C) la

resistencia a la compresión se ve favorecida en periodos cortos de curado,

estabilizándose en periodos largos (90 días). La dependencia mostrada entre la

resistencia a la compresión y la temperatura indica que la materia prima

necesita de la activación térmica para obtener un geopolímero con buena

propiedad de resistencia a la compresión, al menos hasta los 90 días de curado

Al comparar los resultados obtenidos para cada relación de activador con el

Cemento Portland, se puede ver que el incremento de la relación activador

favorece la resistencia a la compresión, obteniéndose valores de compresión


101

mayores a los del cemento, hasta llegar a la relación de 15, donde se presentó

un descenso en la resistencia. Cabe señalar que, la serie de muestras

obtenidas a 40°C, a partir de la relación activador de 1.5, los geopolímeros

mostraron una resistencia a la compresión 11% mayor a la presentada por el

cemento portland, en un periodo de curado de 90 días. Para la relación

activador baja (0.4), las mayores resistencias fueron obtenidas con curados a

temperaturas altas, entre 60 y 80ºC. El incremento en la relación activador


reacción de geopolimerización, contribuyendo a la formación de gel,


La resistencia a la compresión se afecta para una relación de activador alta

(15), en periodos de curado largos. La caída de la resistencia a la compresión

con el incremento del SN se presenta debido a la inhibición de la reacción de

geopolimerización, por la precipitación de fases de Al-Si que evitan el contacto

del material reaccionante con la solución activadora.

El mecanismo de geopolimerización propuesto involucra la disolución parcial de

la zeolita como resultado de la lixiviación alcalina con el NaOH, llamado

desilicación, cuando se libera silicio de la estructura y dealuminación cuando se

libera aluminio. En relación a la cantidad lixiviada, se observa que existe una

mayor disolución cuando se incrementa la relación Si/Al de la zeolita. Después

de la disolución del Al y Si, los iones OH- provenientes de la solución de NAOH,

reaccionan con la superficie sólida de Al-Si formando -OSi.(OH)3 y Al(OH)4-, los

cuales a su vez al reaccionar con los iones de Na+ y balancear las cargas

electrostáticas actúan como monómeros en la primera etapa de

geopolimerización, dando lugar a los precursores geopoliméricos, generando

una gel de aluminosilicato, Finalmente, cuando la fase de gel se endurece,

tanto los productos de hidratación, como las partículas de zeolita sin reaccionar

permanecen unidas por el gel formado, el cual actúa como aglutinante,

confiriéndole la dureza observada al material resultante.

Las muestras expuestas a solución de sulfato de sodio visualmente no

presentaron señas de agrietamiento, sin embargo, expuestas en solución de


102

sulfato de magnesio las muestras de CP presentaron expansión y grietas en la

superficie, mientras que las muestras de geopolímero natural no presentaron

expansión. Después de seis meses de exposición en soluciones de sulfatos la

reducción de la resistencia fue incluso menor para el geopolímero natural que

para el CP, en soluciones de sulfatos la resistencia decreció alrededor de 21%

para el geopolímero y 31%para el CP en ambiente de sulfato de sodio, y la

reducción en resistencia en un ambiente de solución de sulfato de magnesio

fue de 26% para el geopolímero y 39% para el CP.

Los resultados de DRX se correlacionan con las observaciones visuales. Tanto

el geopolímero natural como el CP no presentan deterioro durante la

exposición a las soluciones de sulfato de sodio, y en el análisis de DRX no se

encontraron etringita y yeso presentes. Las muestras de CP expuestas a

soluciones de MgSO4 presentaron grietas pequeñas en la superficie y

presentaban expansión y a partir de los resultados de DRX encontramos la

presencia de etringita.

Es posible que los mecanismos de deterioro por ataque de sulfatos en pastas

de geopolímero natural y pastas de CP sean diferentes, debido a la diferencia

en composición de estos cementantes.


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REFERENCIAS

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APÉNDICE

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