RESUMEN PROYECTO CONACYT 2008

Lauren Y. Gómez Zamorano
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN:
“CENIZA VOLANTE, METACAOLÍN, ESCORIA DE ALTO HORNO Y DESECHO
GEOTÉRMICO: MEZCLAS CUATERNARIAS PARA FABRICACIÓN DE
GEOPOLÍMEROS”
Responsable: Dra. Lauren Yolanda Gómez Zamorano
Modalidad: Joven Investigador
1. RESUMEN
Los concretos y morteros que utilizan ligantes base cemento Pórtland son los materiales
más empleados en la industria de la construcción moderna, produciéndose más de 5000
millones de toneladas al año. Se ha estimado que por cada tonelada de cemento Pórtland
producido, se genera al menos otra tonelada de dióxido de carbono que es liberado a la
atmósfera debido a la calcinación de la materia prima. La emisión de este “Gas de efecto
invernadero” generado por la industria de producción de cemento Pórtland se encuentra
actualmente entre un 5 a 7% del total del CO2 generado por las actividades humanas,
adicionalmente se han hecho algunas predicciones estimando que para el año 2015 la
generación será de aproximadamente un 17%, convirtiéndola en la industria más
contaminante del mundo. Aunque el costo por manufactura del cemento Pórtland es
relativamente bajo (∼ 0.5 pesos por kg), el impacto ambiental masivo es un incentivo
suficiente para iniciar la búsqueda de nuevos materiales de construcción tales como los
geopolímeros, los cuales puede igualar o mejorar las propiedades de los materiales base
cemento Pórtland existentes, incluyendo durabilidad, resistencia al ataque químico,
resistencia al fuego y capacidad para encapsulamiento de desechos.
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 alcalinos.
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°C.
En base a esto se propone realizar una síntesis de geopolímeros mediante
combinaciones de mezclas cuaternarias de metacaolín, ceniza volante, escoria de alto
horno y desecho geotérmico; evaluando la interacción química con los activadores bajo
diferentes condiciones de procesamiento. Cabe mencionar que en la literatura no está
reportado este tipo combinaciones de materias primas y que su empleo puede
proporcionar enormes ventajas económicas, ecológicas y tecnológicas.
Esto se llevará a cabo fabricando mezclas binarias y ternarias de caolín-ceniza-escoria de
alto horno empleando el desecho geotérmico como ajuste a la relación Al/Si, reduciendo
la cantidad de silicato de sodio empleado. Con esto se pretende evaluar los mecanismos
de reacción y su relación con la formación de productos y propiedades finales. Se
evaluará también la durabilidad de estos geopolímeros a edades tardías que es un punto
de gran discusión en la literatura en materiales de un solo componente y no hay reportada
información sobre este punto empleando más de un material. Se desarrollarán además
morteros y concretos para evaluar corrosión en acero de refuerzo y comparar con
cementos convencionales.
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2. ORIGINALIDAD
Este proyecto involucra un aspecto innovador en el área de ciencia de materiales: el
desarrollo de una alternativa a los procesos convencionales de producción de cemento
Pórtland, para la obtención de materiales cementantes. El contexto es la necesidad de
desarrollar procesos que reduzcan significativamente las emisiones de CO2 a la atmósfera
producidos por la fabricación de cemento Pórtland, y paralelamente, generen aplicaciones
de mayor valor agregado para yacimientos minerales y desechos industriales
silicoaluminosos. Se propone sintetizar nuevos ligantes que reemplacen al cemento
Pórtland activando de forma alcalina los materiales anteriormente mencionados. Estos
materiales se conocen comúnmente como geopolímeros y se clasifican en tres grandes
grupos dependiendo de la relación Si:Al, de esta forma cuando se tienen relaciones de 3:1
se obtienen mejores propiedades, por lo que el ajuste del silicio es de gran importancia en
estos materiales. Los geopolímeros se fabricarán a partir de combinaciones cuaternarias
de metacaolín, ceniza volante, escoria de alto horno y desecho geotérmico.
De esta manera, este proyecto forma parte de las nuevas tendencias a nivel mundial
desde varias perspectivas. Una es la del cuidado y preservación del medio ambiente, ya
que al utilizar desechos y minerales naturales como reemplazo total de cemento Pórtland
se pueden obtener grandes ventajas ambientales:
• De acuerdo con Deventer [1] el uso de geopolímeros proporciona un ahorro de al
menos el 80% en emisión de CO2 en comparación al cemento Pórtland.
• Además el uso de ceniza volante o escoria de alto horno como la fuente de materiales
silicoaluminosos para la geopolimerización elimina completamente las emisiones tan
importantes de CO2 debidas al procesamiento del clinker (actualmente de 5-7% de
CO2 antropogénico, para 2015 será 17% [1]).
• Sin embargo, con el uso de las soluciones alcalinas (con SiO2 disuelto, como en el
caso del silicato de sodio) en lugar de agua y de metacaolín como materia prima se
reintroducen nuevas emisiones de CO2.
• Estos últimos son los ingredientes más caros para la síntesis de un geopolímero y
esto ha ocasionado que se estén investigando otras materias primas.
• Por tanto la activación de ceniza volante y escoria de alto horno con bajas cantidades
de activadores, no solo es amigable ambientalmente, sino que pueden ser
formulaciones muy competitivas económicamente.
En esta área esta enmarcado este proyecto de investigación, empleando combinaciones
binarias y ternarias de materias primas, lo cual no se ha publicado actualmente. Se
plantea además ajustar el contenido de SiO2 de estas mezclas utilizando sílice sólida
(desecho geotérmico) y un activador alcalino libre de silicatos (NaOH y KOH). Cabe
mencionar que este desecho geotérmico no tiene aplicación actualmente y de acuerdo
con trabajos previos (presentados por la autora de esta propuesta) posee un gran
potencial para ser utilizado en la síntesis de geopolímeros. Se estima que más del 80% de
las plantas geotérmicas en el mundo presentan problemas por la generación y
acumulación de desechos de este tipo, por lo que el desarrollo esta investigación es de
relevancia internacional.
En paralelo a las ventajas ecológicas que puede representar el uso de geopolímeros,
están las propiedades tecnológicas. Algunos reportes indican que durante las primeras 10
horas es posible obtener resistencias desde 6 MPa a temperatura ambiente o de 34MPa a
85°C, después de 24 horas las resistencias pueden a lcanzar hasta 65MPa [2]. Otras
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propiedades atribuidas a los geopolímeros es una alta durabilidad química, gran dureza,
resistencia a altas temperaturas, excelente acabado, etc. Es importante señalar que las
propiedades varían en función de las características físicas y químicas de las materias
primas empleadas en su formulación. Las aplicaciones de estos materiales pueden ser
muy extensas como concretos, recubrimientos resistentes al ataque químico,
recubrimientos impermeables, tejas, pisos, refractarios, etc.
Con esta investigación se pretende generar nuevo conocimiento acerca del efecto de las
diversas variables que afectan la síntesis de los geopolímeros como son: combinación de
materias primas, empleo de sílice sólida para ajuste de relación Si:Al, condiciones de
procesamiento (velocidad de mezclado y empleo de retardantes) y condiciones de curado
(temperatura y duración de tratamiento térmico). Es importante mencionar que existe poca
información al respecto y generalmente es contradictoria y no se ha reportado la
fabricación de este tipo de materiales con combinaciones cuaternarias de materias primas
mexicanas, lo que resalta la importancia de esta investigación.
1
J.S.J. Van Deventer, J.L. Provis, P. Duxon, C.A. Rees, G. Lukey, “Characterization of geopolymer cements
and concretes: structure/property relations and commercial utilization, 12th International Congress on the
Chemistry of Cement, 2007
2
J. Davidovits, “30 Years of Successes and Failures in Geopolymer Applications. Market Trends and Potential
Breakthroughs, Geopolymer 2002 Conference, October 28-29, 2002, Melbourne, Australia.
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