Utilización potencial de una ceniza volante de baja calidad como fuente de aluminosilicatos en la producción de geopolímeros¹

Potential Utilization of a Low Quality-Fly Ash as an Aluminosilicate Source in the Production of Geopolymers²

Johanna M. Mejía³
Erich D. Rodríguez⁴
Ruby Mejía de Gutiérrez⁵

¹Fecha de recepción: 18 de julio de 2013. Fecha de aceptación: 31 de julio de 2014. Este artículo se deriva de un proyecto de investigación denominado Desarrollo de un nuevo cemento híbrido tipo Portland con alto porcentaje de adición, desarrollado por el grupo de investigación Materiales Compuestos de la Universidad del Valle, Cali, Colombia.
²Reception date: July 18^th, 2013. Acceptance date: July 31st, 2014. This article is derived from the research project Development of a novel hybrid cement with higher content of the addition, developed by the research group Composites Materials, Universidad del Valle, Cali, Colombia.
³Estudiante de Doctorado en Ingeniería. Miembro del Grupo Materiales Compuestos (CENM), Universidad del Valle, Cali, Colombia. Correo electrónico: johanna.mejia@correounivalle.edu.co
⁴Doctor en Ingeniería. Miembro del Grupo Materiales Compuestos (CENM), Universidad del Valle, Cali, Colombia. Correo electrónico: erich.rodriguez@correounivalle.edu.co
⁵Doctora en Ciencias Químicas. Miembro del Grupo Materiales Compuestos (CENM), Universidad del Valle, Cali, Colombia. Correo electrónico: ruby.mejia@correounivalle.edu.co

Cómo citar este artículo

MEJÍA J. M.; RODRÍGUEZ, E. D. y MEJÍA DE GUTIÉRREZ, R. Utilización potencial de una ceniza volante de baja calidad como fuente de aluminosilicatos en la producción de geopolímeros. Ingeniería y Universidad. 2014, vol. 18, no. 2, pp. 309-327. http://dx.doi.org/10.11144/Javeriana.IYU18-2.upcv

Resumen

Este artículo presenta la síntesis de materiales geopolimé-ricos a partir de una ceniza volante de origen colombiano (FA). Se evaluaron diferentes condiciones de activación de esta ceniza mediante el ajuste de los módulos totales de SiO2/Al2O3 y Na2O/SiO2, así como el efecto de la incorporación de dos fuentes de calcio: una escoria granulada de alto horno (GBFS) y un cemento Portland tipo I (OPC). La cinética de las reacciones desarrolladas después de la activación alcalina de la FA se evaluó realizando una calorimetría isotérmica, según la cual los sistemas de mayor alcalinidad exhiben una mayor liberación de calor y un mayor grado de disolución de la fuente primaria. La incorporación de la fuente de calcio modifica la cinética de reacción y el tipo y características de los productos formados tras la activación. El incremento en la relación molar SiO₂/ Al₂O₃ del sistema condujo a obtener materiales con una resistencia a la compresión superior hasta en ∼77 %. En términos generales, la incorporación de una fuente de calcio al sistema contribuye a la adquisición de un mejor desempeño mecánico en todas las edades de curado en estudio. Los resultados evidencian el potencial aprovechamiento de esta FA para producir cementos no convencionales con resistencias a 28 días de curado superiores a los 50 MPa.

Palabras clave:  geopolímeros; ceniza volante; escoria granulada de alto horno; calorimetría; cementos no convencionales

Abstract

This article presents the synthesis of a geopolymeric material based on a Colombian fly ash (FA). Geopolymers with different total molar SiO₂/Al₂O₃ and Na₂O/SiO₂ ratios and the inclusion of two source of calcium (a national granulated blast furnace slag and ordinary Portland cement) were evaluated. The reaction kinetic of FA alkali activation was monitored by isothermal calorimetry, which shows the systems with highest alkalinity exhibit higher release of heat and higher dissolution degree of FA. Replacing a percentage of FA by a calcium source (OPC or GBFS) modifies the kinetic and reaction products. A higher SiO₂/ Al₂O₃ molar ratio leads to the production of materials with higher compressive strength up to ∼ 77 %. Overall, the addition of a calcium source contributes significantly to the acquisition of a higher mechanical performance. The results show the potential use of this FA with unprofitable physical and chemical characteristics as a raw material to produce non-conventional cementitious with compressive strength up to 50 MPa at 28 days of curing time.

Keywords: geopolymers; fly ash; granulated blast furnace slag; isothermal calorimetry; unconventional cements

Introducción

La Asociación Mundial del Carbón (2014) reporta que el principal combustible utilizado a escala mundial para generar electricidad es el carbón, con un consumo del 41 % en el sector energético, en 2012. Sin embargo, el uso de este recurso natural como fuente energética genera diferentes subproductos o desechos, como cenizas de fondo, escoria, cenizas volantes (FA), entre otros productos. Las (FA) corresponden a la parte inorgánica del carbón remanente del proceso de combustión entre los 1200 y los 1700 °C y están compuestas principalmente por minerales no combustibles que quedan en la cámara de combustión en forma de finas cenosferas. Estas partículas son conducidas por ductos de gases hacia filtros o ciclones encargados de capturar el material y evitar que sean emitidas a la atmósfera (Ahmaruzzaman, 2010). En Colombia, las termoeléctricas más importantes (Termozipa, Termopaipa y Termosochagota) generan alrededor de 600 kt/año de (FA) de calidad variable y en su gran mayoría este subproducto no se está aprovechando debidamente y se constituye en un problema ambiental (Gil y Plazas, 2007).

Las FA se caracterizan por ser ricas en SiO₂, Al₂O₃ y, en algunos casos, presenta un elevado contenido de CaO, así como trazas de Fe₂O₃ y otros óxidos. En la industria de la construcción, las FA se destinadan como materia prima en la producción del cemento Portland, adición activa en la producción de cementos adicionados (blended cements), en la producción in situ de concretos o como material de relleno en la estabilización de suelos, entre otros (Gil y Plazas, 2007). La norma ASTM C618-12a clasifica las FA en dos tipos: clase C (cenizas ricas en CaO) y clase F (cenizas bajas en CaO), y establece los criterios para su utilización como material puzolánico en mezclas con cemento portland. Entre estos se exige un porcentaje de pérdidas por ignición inferior al 6 %. Se afirma que cenizas con valores superiores pueden conducir a una mayor demanda de agua en las mezclas que la contengan y, con ello, un decremento en la trabajabilidad en estado fresco, una gran variabilidad en las resistencias mecánicas, así como un efecto negativo en las propiedades de durabilidad (Xu et al., 2012).

En los últimos años, y debido a su composición de tipo aluminosilicato, las FA han venido utilizándose como materia prima en la fabricación de cementantes no convencionales simples y binarios, libres de cemento Portland, denominados geopolímeros (Temuujin, Rickard y van Riessen, 2013; van Deventer, Provis y Duxson, 2012), y aunque se han reportado resistencias mecánicas hasta de 100 MPa, la mayoría de los estudios se basan en cenizas que cumplen ampliamente las características de calidad señaladas en la norma ASTM C618 (van Riessen y Chen-Tan, 2013; Nematollahi y Sanjayan, 2014; Ryu et al., 2013; Kumar, Kumar y Mehrotra, 2007; Fernández-Jiménez et al., 2011; Izquierdo et al., 2009; Yip et al., 2008; Puertas y Fernández-Jiménez, 2003).

Un estudio realizado para evaluar el efecto de las características físicas y químicas de cenizas procedentes de diferentes fuentes en las propiedades de resistencia mecánica concluye que para una activación alcalina óptima, las FA deben poseer un contenido alto de fase vítrea, un 80 % de partículas de tamaño inferior a 45 μπι y un porcentaje inferior al 5 % de pérdidas por ignición (Fernández-Jiménez y Palomo, 2003). Como opciones para reducir el nivel de carbón presente en la ceniza, previo a la síntesis de un geopolímero, se han considerado el tratamiento térmico y los métodos de flotación. De estos, el primero reduce la fase vítrea presente y afecta negativamente las propiedades finales del material y el segundo aunque actúa positivamente implica costos asociados a un proceso adicional (Temuujin y van Riessen, 2009; Lee et al., 2010).

El presente estudio plantea una alternativa para valorizar y aprovechar una FA de origen nacional con un alto contenido de pérdidas por ignición (14,6 %) y un bajo porcentaje de fase vítrea. Este material no presenta un valor comercial atractivo para su aplicación en la industria cementera o de concretos y actualmente es catalogado como un desecho industrial con sus respectivos inconvenientes para su correcta disposición. Por ello, el objetivo principal es evaluar su aplicación potencial en la producción de materiales geopoliméricos y, de esta manera, otorgarle un valor agregado. Con este fin se producen geopolímeros basados en un 100 % FA y geopolímeros binarios que incorporan una fuente de calcio —escoria granulada de alto horno (GBFS) y cemento Portland tipo I (OPC)—. Los materiales obtenidos se caracterizaron mediante la determinación de la resistencia a compresión y la aplicación de diferentes técnicas instrumentales, como calorimetría isotérmica y microscopía electrónica de barrido.

1. Metodología experimental

1.1. Materiales

Como precursor de aluminosilicatos se empleó una FA proveniente de la central termoeléctrica de Termopaipa. La FA con un tamaño medio de partícula de ∼64 μm y una distribución de tamaño de partículas donde el 90 % es inferior a 141,3 μm, fue sometida a un tratamiento de molienda en un molino de bolas durante 90 min. El material obtenido presentó un tamaño medio de partícula de 19,5 μηι y un peso específico de 2216 kg/m³. Como fuentes adicionales de calcio se empleó una GBFS proveniente de Acerías Paz del Río (Colombia) y un OPC con un peso específico de 3200 kg/m³. La composición química de los materiales se presenta en la tabla 1. Se aprecia un contenido elevado de pérdida al fuego (14,8 %) para FA como consecuencia del material orgánico presente (carbón no quemado); así mismo, el OPC reporta un 9,6 % de pérdidas por ignición. Esto se atribuye a la adición caliza que incluye este material. Acorde a los datos de composición química, la relación molar SiO₂/Al₂O₃ de FA es 4,25.

El difractograma de FA (figura 1), realizado en un difractómetro X^NPert MRD de PanAnalytical usando radiación de Cu Koc1 con un tamaño de paso de 0,020°, revela la presencia de diferentes fases cristalinas como: mullita (2Al₂O₃ SiO₂; American Mineralogist Crystal Structure Database, AMSCD 0001059), hematita (Fe₂O₃; AMSCD 000143) y cuarzo (SiO₂; 0000789). El correspondiente para GBFS reveló la presencia de calcita (CaCO₃; AMSCD 0000098), gelenita (Ca₂Al[AlSiO₇]; AMSCD 00005090) y cuarzo (SiO₂; AMSCD 0000789). Como activadores alcalinos se empleó la mezcla de un hidróxido de sodio grado analítico (∼99 %) y un silicato de sodio comercial constituido con un 26,50 % de SiO₂; un 7,93 % de Na₂O, y un 65,57 % de H₂O para la obtención de soluciones con módulos (Ms = SiO₂/Na₂O) entre 0,6 y 1,5.

1.2. Preparación de las muestras

Se produjeron sistemas simples basados exclusivamente en FA y sistemas binarios constituidos por la mezcla de FA y una fuente adicional de calcio (GBFS o OPC). Las fuentes de Ca se incorporaron con base en un 30 % en sustitución de FA. La activación de FA fue realizada mediante la dosificación de un activador alcalino cuyas proporciones permitieron obtener una relación molar total de SiO₂/Al₂O₃ de 5 y 6, así como Na₂O/SiO₂ de 0,21 y 0,25. El contenido de agua fue ajustado para obtener una relación agua/conglomerante de 0,35.

La FA, la fuente de Ca y el activador alcalino fueron mezclados mecánicamente y posteriormente vaciados en moldes cúbicos de 20 X 20 mm. Las muestras FA/ GBFS y FA/OPC fueron almacenadas en una cámara húmeda a temperatura ambiente hasta el momento de los ensayos. Los especímenes constituidos únicamente con FA (es decir, sin la inclusión de una fuente de Ca) requirieron la utilización de un curado térmico a 70 °C con una HR del 90 % durante 24 h. Las condiciones anteriores se apoyan en estudios reportados por distintos autores (Kovalchuk, Fernández-Jiménez y Palomo, 2008; Fernández-Jiménez, Palomo y Criado, 2005). Al finalizar el curado térmico las muestras fueron almacenadas en una cámara bajo condiciones de humedad relativa del 90 %. En la tabla 2 se muestran las características de las mezclas producidas.

1.3. Ensayos realizados

• Calorimetría isotérmica: el proceso de reacción de cada uno de los sistemas se evaluó usando la técnica de calorimetría isotérmica mediante un calorímetro de Calmetrix I-cal 8000 a una temperatura de 25 °C durante 40 h. Las mezclas se prepararon manualmente fuera del calorímetro y el registro del cambio de calor se inició 4 min después de haber iniciado el mezclado de los componentes.
• Resistencia a compresión: los especímenes fueron ensayados después de 7 y 28 días de curado en una prensa Universal INSTRON 3369 a una velocidad de desplazamiento de 1 mm/min.
• Caracterización microestructural: complementariamente, se llevó a cabo una observación mediante microscopía electrónica de barrido de algunas de las muestras previamente evaluadas. Se empleó un microscopio electrónico Phenom 2005 de FEI con un voltaje de aceleración de 5 kV

2. Resultados y discusión

2.1. Calorimetría isotérmica de conducción

La figura 2 muestra las curvas calorimétricas para los diferentes sistemas geopoliméricos estudiados. La figura 2a corresponde a la curva calorimétrica de las mezclas constituidas con un 100 % de FA, donde se identifica un único pico: este, en general, se presenta en un tiempo inferior a 10 min. La intensidad del pico varía en función de las condiciones de activación, pero alcanza su valor máximo (23,23 mW/g) para los sistemas con una relación SiO₂/Al₂O₃ de 5. Estos resultados son superiores a los reportados por cementos tradicionales, los cuales pueden estar entre 3,5 y 9 mW/g (Xu et al., 2010; Gruyaert, Robeyst y De Belie, 2010). El cambio en el módulo Na₂O/SiO₂ de 0,21 a 0,25 incrementa la intensidad del pico de liberación de calor de hasta ∼7,1 mW, lo que puede atribuirse a un mayor grado de disolución de la FA, como consecuencia del aumento en el contenido de álcalis en la pasta.

Una mayor alcalinidad del sistema contribuye a la precipitación de los productos formados y los picos atribuidos a la preinducción, a la inducción y a la aceleración (los cuales son característicos en sistemas de OPC) no son identificados individualmente, debido a que las reacciones de disolución y precipitación se desarrollan simultáneamente. García-Lodeiro, Fernández-Jiménez y Palomo (2013), en un estudio similar, no observan la aparición de este pico y, por tanto, reporta que, aun cuando la presencia de álcalis induce el inicio de la disolución de la ceniza, este proceso a temperatura ambiente es extremadamente lento y, en consecuencia, la precipitación del gel de aluminosilicato (N-A-S-H) se reduce notablemente; por ello es necesario acelerar la reacción para que este proceso sea tecnológicamente viable. En el presente estudio se corroboró que la mezcla de FA al 100 %, independientemente de las relaciones de mezcla utilizadas, no fragua ni endurece a temperatura ambiente, por ello se aplicó un curado térmico (70 °C, HR 90 %, 24 h).

La incorporación de una fuente de Ca tiene un efecto en la liberación de calor, en la cinética de reacción y en las características de los productos formados. Así, la incorporación de GBFS condujo a una reducción en la liberación de calor (figura 2b), mientras que el OPC presentó una leve disminución en los picos máximos en función de la relación SiO₂/Al₂O₃ de cada sistema. Tal como se puede apreciar en las figuras 2b y 2c, los sistemas con un módulo SiO₂/Al₂O₃ de 6, e independientemente del tipo de fuente de Ca utilizada, exhiben una mayor liberación de calor, contrario a lo identificado en las muestras constituidas únicamente con FA (figura 2a).

En términos generales, no se identifican grandes diferencias con el incremento en el módulo Na₂O/SiO₂ para los sistemas con OPC y GBFS. A pesar de que los valores máximos de calor liberado para los sistemas FA/OPC son más bajos, comparados con los sistemas basados únicamente con FA; los FA/OPC exhiben los valores más altos de calor total, seguidos de los sistemas FA/GBFS, tal como se puede identificar en la tabla 3. Este comportamiento indica que los sistemas constituidos con una fuente de Ca conducen a un mayor grado de reacción como consecuencia de la mayor solubilidad por parte del OPC y la GBFS en el entorno alcalino, así como la precipitación de un mayor contenido de productos de reacción. Estos resultados son coherentes con lo reportado por Kumar, Kumar y Mehrotra (2010), quienes identificaron el aumento en la cantidad de calor total liberado conforme se incrementaba el contenido de GBFS en un sistema binario con FA activado a 27 °C. Este comportamiento está íntimamente relacionado con el no requerimiento de curado térmico para estas mezclas, las cuales fraguan y endurecen a temperatura ambiente.

La aparición de un único pico de elevada intensidad coincide con lo presentado en otros sistemas de activación alcalina basados en FA o GBFS y sus correspondientes mezclas (Bernal et al., 2011a; Chithiraputhiran y Neithalath, 2013; Winnefeld et al. , 2010). Chithiraputhiran y Neithalath (2013) reportaron, en mezclas geopoliméricas FA:GBFS 70:30, curvas calorimétricas similares a las aquí presentadas, y un calor total liberado del orden de 60 kJ/kg a 40 h de reacción. García-Lodeiro, Fernández-Jiménez y Palomo (2013) reportaron, igualmente, valores similares para mezclas geopoliméricas FA:OPC 70:30. Estos resultados son inferiores hasta en un 40 % a los obtenidos en el presente estudio para las mezclas conteniendo GBFS y OPC (tabla 3). En general, la mayor liberación de calor en estos sistemas se da en las primeras horas y se atenúa o estabiliza rápidamente. Este comportamiento difiere del proceso de hidratación del cemento Portland, donde la liberación del calor aumenta en el tiempo (García-Lodeiro, Fernández-Jiménez y Palomo, 2013).

La geopolimerización inicia con la disolución del precursor, seguido de una precipitación de especies activas (monómeros de Si y Al), los cuales sufren una policondensación para la formación de oligómeros que posteriormente polimerizan formando el gel N-A-S-H (Fernández-Jiménez, Palomo y Criado, 2005; Provis y van Deventer, 2009). Durante las primeras horas, la precipitación y la condensación de especies de monómeros y dímeros obtenidos durante la disolución del precursor conducen a la formación de un gel N-A-S-H rico en Al con una estructura tipo Q⁴(4Al) (Puertas et al., 2011). La amplitud del pico puede deberse al tiempo requerido para que las especies iónicas en el sistema alcancen una concentración crítica para formar los productos de reacción (Provis y van Deventer, 2007).

Conforme se desarrolla la reacción, este gel se transforma en uno más estable rico en tectosilicatos con un efecto positivo en el desempeño mecánico del material como consecuencia de la presencia de los silicatos disueltos que son incorporados en el activador (Duxson et al. , 2007). La sílice presente en la solución activante es muy soluble y es incorporada en el gel N-A-S-H. No obstante, el grado de polimerización de la sílice en la solución de silicato, el cual depende de la relación SiO₂/Na₂O, condiciona la formación y características estructurales del gel N-A-S-H y con ello la cantidad de calor liberado durante la reacción. La mayor liberación de calor puede atribuirse a la presencia de concentraciones de alcalinidad mayores en el sistema (Ravikumar y Neithalath, 2012). El producto final es un gel N-A-S-H con una estructura tridimensional de unidades Q⁴(mAl) (con m: 1,2 o 3), cuyas características dependen del grado de reacción, de la temperatura de curado y del contenido de silicatos solubles en el sistema (Duxson et al., 2005a y 2005b).

La incorporación de una fuente de Ca promueve la formación de otro tipo de productos, fundamentalmente C-(A)-S-H y C-S-H, con una cinética y grado de reacción diferente a lo presentado por el gel N-A-S-H y que coexiste con el gel geopolimérico (García-Lodeiro, Fernández-Jiménez y Palomo, 2013). Mediante un análisis de microscopía electrónica de barriso para mezclas 70 %FA+30 %OPC se comprobó la coexistencia de dos geles C-(A)-S-H y N-A-S-H, este último con pequeñas cantidades de calcio (N,C)-A-S-H. Estos productos, en general, tienen un efecto positivo en las resistencias mecánicas del material (García-Lodeiro et al. , 2010; Bernal et al., 2011b), donde las características estructurales dependen de igual manera del tipo de fuente de Ca utilizada (Yip et al., 2008). Este efecto es más marcado a elevadas relaciones SiO₂/Na₂O o en sistemas con baja alcalinidad (Alonso y Palomo, 2001).

2.2. Resistencia a compresión

La figura 3a muestra la evolución de la resistencia a compresión de los sistemas constituidos exclusivamente con FA, en la cual se aprecia un incremento de entre el 3 % y el 18 %, conforme avanza la edad de curado y cuyo valor máximo (28 MPa) fue alcanzado por FA 6-21 después de 28 días. En la figura 3b se muestran los resultados obtenidos para los sistemas binarios FA-GBFS y FA-OPC, donde se observó un incremento de la resistencia en comparación con los sistemas basados en FA, así como un mayor aumento de la resistencia conforme avanza la edad de curado, que alcanza valores hasta de ∼55 MPa.

Los reducidos incrementos de resistencia con la edad de curado reportados por los sistemas basados en FA (figura 3a) pueden atribuirse al curado térmico previamente aplicado, el cual contribuye a adquirir un elevado grado de reacción a tempranas edades que no conduce a la formación de nuevos productos, densificación estructural y, con ello, incrementos considerables en la resistencia mecánica a tiempos más prolongados (Puertas, Martínez-Ramírez y Vázquez, 2000). Por su parte, en los sistemas constituidos con una fuente de Ca (OPC y GBFS), la formación de otro tipo de estructuras, tal como se mencionó en el apartado anterior, densifican y aumentan su grado de reticulación con el tiempo y se generan incrementos de resistencias de hasta un 116 % a edades más avanzadas. Cabe anotar que estos sistemas son curados a temperatura ambiente. El incremento de la resistencia es coherente con otros reportes (Puertas, Martínez-Ramírez y Vázquez, 2000; Phoo-ngernkham et al., 2013). Existe una relación entre el calor total liberado y los valores de resistencia a compresión obtenidos, donde los sistemas simples (basados únicamente con FA); además de presentar las resistencias mecánicas más bajas, liberaron la menor cantidad de calor durante su activación. Por otra parte, la incorporación de una fuente de Ca (ya sea OPC o GBFS), aparte de contribuir al incremento en la cantidad total de calor liberado (tabla 3), genera mayores resistencias mecánicas en el sistema.

Los resultados muestran un efecto más significativo de la relación SiO₂/Al₂O₃ del sistema bajo las condiciones de activación del presente estudio para los geopolímeros FA, con incrementos de hasta un 37 %, en comparación con las relaciones Na₂O/SiO₂, cuyo efecto sobre la resistencia a compresión puede ser considerado despreciable. Por otra parte, los valores de resistencia a 7 días de curado en los sistemas con una fuente de Ca (FA-OPC y FA-GBFS) exhibieron ligeros decrementos conforme se incrementan las relaciones molares Na₂O/SiO₂ en el sistema (de 0,21 a 0,25). El incremento en la concentración de activación conduce a la presencia de una mayor cantidad de iones OH- que pueden atacar y romper los enlaces Si-O-Si, Si-O-Al y Al-O-Al de la fracción vítrea de la ceniza; sin embargo, el exceso de dichos iones puede contribuir a la disolución de los productos recientemente formados y tener un ligero efecto en el desempeño mecánico del material. No obstante, la presencia de especies activas de SiO₂ mediante la incorporación de silicatos solubles reduce el tiempo necesario para la formación del gel a través de su interacción con las especies activas de Al liberadas durante la disolución y, por tanto, el aumento en el grado de polimerización del gel rico en Si, que contribuye a una ganancia de resistencia mecánica después de 28 días de curado.

Al comparar los valores de resistencia a la compresión de los tres sistemas FA, FA/GBFS y FA/OPC a 28 días de curado con los de FA, es claro que tanto la GBFS como el OPC aportan al desarrollo mecánico y microestructural después de los 7 días de curado. El aumento de la resistencia mecánica en estos sistemas binarios puede atribuirse a la coexistencia del gel N-A-S-H obtenida tras la activación de la FA, junto con los geles C-S-H de la hidratación del OPC y el gel C-A-S-H formado tras la activación de la GBFS (García-Lodeiro, Fernández-Jiménez y Palomo, 2013; García-Lodeiro et al., 2010; Yip y Van Deventer, 2003; Cabrera-Fuentes et al., 2011; Palomo et al., 2007).

El desempeño mecánico de los materiales evaluados en el presente estudio es coherente con lo reportado en la bibliografía para sistemas geopoliméricos basados en ceniza volante. No obstante, cabe resaltar que la gran variedad de resistencias mecánicas reportadas en la literatura es atribuida a la heterogeneidad del origen de las cenizas volantes, las cuales presentan diferencias en su composición química, mineralogía, contenido de fase vítrea y tamaño de partícula, así como en los diversos parámetros de activación y producción. Autores como Álvarez-Ayuso et al. (2009), Kovalchuk y Palomo (2008), entre otros, alcanzaron resistencias a compresión de hasta 60 MPa con cenizas con pérdidas al fuego menores al 1 %. Por el contrario, Andini et al. [43], quienes activaron alcalinamente una FA con alto contenido de material orgánico %) reportaron después de 5 días de curado una resistencia a compresión de 3,8 MPa, valor notablemente inferior a la alcanzada en el presente estudio. Cabe anotar que este último es el único reporte donde se ha utilizado una ceniza con alto contenido de carbón no quemado en su composición.

2.3. Microscopía electrónica de barrido

La figura 4 muestra las micrografías de los sistemas FA-5-21, FA/OPC- 5-21 y FA/GBFS-5-21 después de 28 días de curado, en las cuales se puede identificar fácilmente la presencia de partículas de FA que no han reaccionado y que pueden encontrarse embebidas en el gel de los productos formados. Estas partículas de FA exhiben una forma esférica con el crecimiento de algunos productos de reacción en la superficie o la disolución parcial de la capa exterior, cuya microes-tructura interna revela la presencia de estructuras tubulares que pueden ser atribuidas a mullita (Lloyd, Provis y van Deventer, 2009). La obtención de una estructura porosa se atribuye a los espacios existentes entre el gel formado y las partículas de ceniza sin reaccionar. Así mismo, es posible observar otro tipo de partículas de diferente morfología, las cuales pueden atribuirse a las fuentes de Ca sin reaccionar. En términos generales, en las micrografías es posible observar la aparición de microgrietas generadas tanto por la retracción del material, lo cual es característico en sistemas geopoliméricos con relaciones SiO₂/Al₂O₃ elevadas (Kamhangrittirong et al., 2013), como por el preacondicionamiento de las muestras antes de la realización del ensayo.

Conclusiones

Los resultados obtenidos revelan la potencial utilización de una FA con alto contenido de pérdidas por ignición (14 %) como precursor en la fabricación de un material geopolimérico simple o binario. El preacondicionamiento de la ceniza mediante un tratamiento de molienda y su posterior activación alcalina con relaciones SiO₂/Al₂O₃ y Na₂O/SiO₂ entre los rangos de 5-6 y 0,20-0,25, respectivamente, permiten la obtención de un material con características cementantes que puede adquirir resistencias de hasta ∼30 MPa con 28 días de curado. La incorporación de una fuente de calcio (OPC o GBFS) al sistema de FA simple incrementó la resistencia a compresión a 28 días hasta tres veces alcanzando valores de hasta ∼56 MPa. La alta solubilidad del Ca en la escoria, bajo las condiciones en estudio condujo a una reducción de los valores de liberación de calor, la obtención de una estructura más densa y compacta que contribuye al incremento en el desempeño mecánico.

Agradecimientos

Los autores quieren dar su agradecimiento, por el apoyo en el desarrollo del presente estudio, a la Universidad del Valle (Cali, Colombia), al Centro de Excelencia en Nuevos Materiales (CENM), a la Termoeléctrica Colombiana GENSA y al Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación (Colciencias).

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