1. Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN
UNIDAD SALTILLO
Maestría en Ciencias en Ingeniería Cerámica
Propuesta de Tesis
CEMENTOS ALCALINOS COMPÓSITOS
BASE VIDRIO RECICLADO Y
METACAOLÍN
Presentada por:
DULCE ESMERALDA ORTEGA ZAVALA
Director de Tesis
DR. J. IVÁN ESCALANTE GARCÍA
Ramos Arizpe, Coah. Septiembre 2012
Ramos Arizpe, Coahuila 6-septiembre-2012
2. 1. OBJETIVOS
,
y
General
Investigar el desarrollo de las propiedades y mecanismos de reacción de
cementos compósitos de desecho de vidrio con metacaolín en cementos
químicamente activados; en función de la proporción, área superficial del
vidrio, tipo y concentración de activante alcalino.
Específicos
Determinar la composición óptima de vidrio reciclado y
metacaolín para obtener altas propiedades mecánicas.
Evaluar el efecto de 3 activantes: NaOH, Na2CO3, Na2O·SiO2 MSS
Estudiar el efecto de la temperatura de curado en la reactividad.
Estudiar el desarrollo de las propiedades mecánicas, estabilidad
dimensional y productos de reacción en función al tiempo de fraguado.
Dulce Esmeralda Ortega Zavala 2
3. 2. INTRODUCCIÓN
El consumo de concreto mundial per cápita anual es de 2 toneladas por
persona.
En concretos, el ligante más utilizado es el cemento Portland, cuya
producción mundial rebasa los 2800 millones de toneladas anuales.
Para producir una tonelada de cemento se producen también una tonelada de
CO2, (la industria cementera es responsable de cerca del 7% de las emisiones
mundiales de CO2.)
Los cementos alternativos reducen
el consumo de clínquer de cemento
Portland, ahorrando energía y
reduciendo emisiones de GEI
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4. El vidrio es un material fácilmente recuperable.
•El color del vidrio juega un papel importante en su reutilización y reciclado.
•Mundialmente el vidrio representa aprox. 3.84% del total de los desechos, siendo el cuarto
con mayor producción después de residuos vegetales, papel y metal.
En México: volumen de residuos de vidrio es 34.7% del total, se recicla
el 17.8% .
Porcentaje de reciclaje del vidrio
5%
10%
Verde
Claro
Extraclaro 25%
Opaco o ámbar 60%
Figura 1. Cantidad de los diferentes tipos de vidrio que se recicla en México [1].
4
[1] Taipale, K. State of the World 2012. moving toward sustaintable prosperity, (2012).
5. Aunque la composición química del vidrio es importante, su reciclaje como
cementante no enfrenta las fuertes restricciones de composición química que
tiene la industria de fabricación del vidrio.
Cementos activados por
GEOPOLÍMEROS
álcalis
Los cementos de metacaolín activados por álcalis presentan ventajas con respecto
al cemento Portland desde diversas perspectivas como:
•económicas
•ecológicas
•tecnológicas
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6. 3. ANTECEDENTES
Sialato
3.1 Cementos Alcalinos O O
[ Si O Al O ―] M+
•Redes amorfas de aluminosilicatos de Na+ o K+,
formados por aluminatos tetraédricos y unidades O O
Sialato Siloxo
condensadas de silicato en una estructura
eléctricamente equilibrada (Figura 2). O O O
[ Si O Al O ―Si―] M+
O O O
Los cementos alcalinos usan un activante
Sialato Disiloxo
alcalino para iniciar las reacciones que
O O O O
producen un material cementoso.
[ Si O Al O ―Si―O―Si―O] M+
O O O O
Figura 2. Representación esquemática de las formas posibles de
unidades de sialatos tetraédricos.
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7. Los geopolímeros carecen de un ordenamiento atómico.
La estructura contiene Si y Al en coordinación tetraédrica, a lo largo de toda la
cadena, entre las cavidades se alojan los iones alcalinos que balancean las cargas
eléctricas.
Figura 3. Modelo microestructural de los geopolímeros base MK, propuestos por Davidovits .
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8. La síntesis de geopolímeros se lleva a cabo mediante:
Polimerización y
La disolución de Formación de gel de
condensación de las
aluminosilicatos aluminosilicato
especies disueltas
Solución altamente NaOH
alcalina Na 2 O SiO 2
Na 2 CO 3
Activantes alcalinos
La activación alcalina consiste en el rompimiento de los enlaces Si-O y Al-O de la red
vítrea por iones OH- provenientes de una solución alcalina.
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9. 3.2 Materias primas de cementos alternativos
•Ceniza volante
•Escoria de alto horno
SiO2 Al2O3 •Puzolanas naturales
•Humo de sílice
•Metacaolín
Materias primas minerales o reciclables
Metacaolín (MK)
La transformación de la caolinita a metacaolín
incrementa la amorficidad y reactividad, debido al
cambio en el número de coordinación del aluminio
y al colapso de la estructura de la sílice.
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10. Vidrio
El vidrio puede ser utilizado como materia prima, para la
obtención de materiales cementosos alternativos.
•Como agregado para el concreto.
•Como materia prima (fuente de SiO2).
•Como reemplazo del cemento Portland.
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11. ESTADO DEL ARTE
Uso de vidrio reciclado como reemplazo total del cemento Portland:
Investigación previa en Cinvestav Saltillo propuso una
nueva vía de reciclado del vidrio.
Se mezclaron diferentes tipos de vidrio soda-cal con diferentes activantes alcalinos.
Las mejores propiedades mecánicas se obtuvieron para 10% de
Na2O con una relación NaOH/Na2CO3 de 1, alcanzando hasta
50MPa a 7 días.
Las microestructuras mostraron que el vidrio que se disuelve con la solución alcalina
formando una especie de gel que conforma la matriz y las partículas de vidrio sin
reaccionar se integran como agregados de la matriz. [2]
[2]L. E. García-Rivera, “Estudio de los parámetros de procesamiento de espumado de desechos vítreos”, Tesis de 11
Licenciatura para obtener el título de Ingeniero en Materiales, CINNVESTAV del IPN, Unidad Saltillo, 2009.
12. 4. JUSTIFICACIÓN
Búsqueda de cementos alternativos :
El material más
usado en mundo es •Con propiedades mecánicas aceptables
el concreto base •De bajo impacto ambiental
cemento Portland. •De bajo costo
•Durable
•Reciclables
Esta propuesta busca desarrollar un cemento geopolimérico alternativo base MK
con sustitución de vidrio reciclado.
La aportación consiste en la utilización de fuentes alternativas de sílice, para
buscar nuevas opciones para la producción de cementos alternativos.
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13. 5. METODOLOGÍA
Se plantean tres etapas principales.
Etapa 1
Formulación, elaboración de muestras y caracterización
Adquisición y
acondicionamiento
de materias primas
Etapa 2 Etapa 3
Etapa preliminar
Optimización
Pruebas preliminares Preparación de
DOE Optimización
las muestras
•tiempos de
vibrado
• mezclado
•relación Caracterización Caracterización
agua/sólidos
Caracterización de las
materias primas
•Fluorescencia de Rayos X
•Difracción de Rayos X Dulce Esmeralda Ortega Zavala 13
14. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN
Resistencia a la Compresión
Se analizaran muestras cúbicas de 2.5 cm a edades de 1 a 120 días.
RMC
Calorimetría isotérmica por conducción
CIC Seguimiento de la cinética de las reacciones.
Difracción de Rayos X
Determinación del tipo de productos formados en las pastas a
DRX
diferentes tiempos.
Microscopia electrónica de barrido
Caracterización microestructural de algunas formulaciones de las
MEB
pastas.
Espectroscopia por dispersión de energía
Determinación de la composición química elemental de la matriz de
EDS
productos de reacción.
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15. ETAPA 2 “DOE”
La interacción de las variables con mayor efecto y sus niveles (Tabla 1), tiene
efecto en las propiedades mecánicas de los cementos alcalinos.
Tabla 1. Determinación de los factores (variables) y niveles.
Factor Nivel
%VIDRIO 0 25 50 75 100
Parte 1: Evaluación de
NaO2 8 10 12 14 16
Módulo de SS 0 0.5 1 1.5 2 MSS
Temperatura de
20 40 60 20-70(12)-20 20-70(24)-20
curado
Área superficial
250 350 450 550 650
de vidrio
Factor Nivel
%VIDRIO 0 25 50 75 100
Activante NH NC 1NH:1NC 7NH:2NC 2NH:7NC
Parte 2: Evaluación de Área
NH y NC 250 350 450 550 650
superficial
%Na2O 8 10 12 14 16
Temperatura
20 40 60 20-70(12)-20 20-70(24)-20
de curado
La idea del diseño de experimentos de Taguchi es la optimización por medio
de la identificación de los factores que afectan en cuanto a su magnitud y
variabilidad.
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17. ETAPA 3 “optimización”
Los resultados de RMC a 28 ó 90 días permitirán determinar las condiciones y
formulaciones óptimas (4 muestras)
•RMC
•CIC
•DRX
•MEB
•EDS
Las muestras con mejor RMC se analizarán para estudiar la evolución de los productos
de reacción y su comportamiento mecánico.
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18. 6. CRONOGRAMA
Tabla 3. Distribución de las actividades programadas
Tiempo (meses)
ACTIVIDADES 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 Revisión bibliográfica ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ
Etapa 1: Preliminar
2 Acondicionamiento de materia prima ʘ
3 Pruebas de aprendizaje ʘ ʘ
4 Caracterización
Etapa 2: Formulación, elaboración de muestras y caracterización mecánica
5 Cálculo de formulaciones ʘ
6 Preparación de muestras de cementos compósitos ʘ ʘ
7 Resistencia a la compresión ʘ ʘ ʘ
8 Calorimetría isotérmica por conducción ʘ ʘ ʘ ʘ
9 Difracción de Rayos X ʘ ʘ ʘ
10 Microscopia electrónica de barrido ʘ ʘ ʘ
11 Análisis de resultados ʘ ʘ
12 Entrega del reporte de AVANCE ʘ
Etapa 3: Optimización
13 Preparación de la mejor formulación óptima ʘ ʘ
Caracterización por MEB, Calorimetría por conducción,
14 ʘ ʘ
Resistencia a la compresión, DRX
15 Discusión de resultados ʘ ʘ
16 Análisis y discusión de conclusiones ʘ ʘ ʘ
18
17 Escritura de Tesis ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ