Efecto de la Concentración de Hidróxido de Sodio y Grado de Curado Térmico en Mortero de Geopolímero a Base de Cenizas volantes

Resumen

El hormigón/mortero de geopolímero es el nuevo desarrollo en el campo de las construcciones de edificios en el que el cemento se reemplaza totalmente por material puzolánico como cenizas volantes y se activa por solución alcalina. En este trabajo se presentó el efecto de la concentración de hidróxido de sodio, la temperatura y la duración del calentamiento del horno sobre la resistencia a la compresión del mortero de geopolímero a base de cenizas volantes. Solución de silicato de sodio que contiene Na2O de 16,45%, SiO2 de 34,35% y H2O de 49.solución de hidróxido de sodio al 20% 2.91, 5.60, 8.10, 11.01, 13.11, y a las 15.08. Las concentraciones de moles se utilizaron como activadores alcalinos. Las mezclas de mortero de geopolímero se prepararon considerando una relación de solución a cenizas volantes de 0,35, 0,40 y 0,45. La temperatura de curado en horno se mantuvo en 40, 60, 90 y 120°C cada uno durante un período de calentamiento de 24 horas y se probó la resistencia a la compresión a la edad de 3 días como período de prueba después del grado de calentamiento especificado. Los resultados de las pruebas muestran que la trabajabilidad y la resistencia a la compresión aumentan con el aumento de la concentración de solución de hidróxido de sodio para todas las relaciones solución-cenizas volantes. El grado de calentamiento también juega un papel vital en la aceleración de la resistencia; sin embargo, no hay un gran cambio en la resistencia a la compresión más allá del período de prueba de tres días después del período especificado de calentamiento del horno.

1. Introducción

La industria del cemento es uno de los principales contribuyentes a la emisión de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, que es de aproximadamente 1,35 mil millones de toneladas anuales . Día a día, la producción mundial de cemento portland aumenta con la creciente demanda de la industria de la construcción, que superó los mil millones de toneladas por año. Por otro lado, las cenizas volantes son el material de desecho de la planta de energía térmica a base de carbón, que está disponible en abundancia pero crea problemas de eliminación. Para su eliminación se necesitan varias plantaciones de tierras valiosas. Como las cenizas volantes son livianas y vuelan con facilidad, esto crea problemas de salud graves como asma, bronquitis, etc. Según la encuesta, la producción total de cenizas volantes en el mundo es de aproximadamente 780 millones de toneladas por año . Con silicio y aluminio como componentes principales, las cenizas volantes son un material de reemplazo efectivo del cemento, pero la utilización es de solo 17-25%. En la actualidad, las cenizas volantes se utilizan en la producción de cemento Puzolana Portland, reemplazo parcial de cemento y mezcla para mejorar la trabajabilidad en concreto, y también en la producción de bloques celulares y ladrillos y en la estabilización del suelo . Por cada tonelada de cenizas volantes utilizadas en lugar del cemento portland, se ahorra aproximadamente una tonelada de emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera . El mortero y el hormigón hechos con cenizas volantes son ecológicos y se pueden fabricar para reemplazar más del 50% del cemento y producir concreto de cenizas volantes de alto volumen .

Pero para la utilización completa de las cenizas volantes, Davidovits sugirió el proceso de activación en el que el cemento se reemplaza totalmente por material puzolánico y se activa por una solución alcalina conocida como geopolímero. El desarrollo de hormigón/mortero de geopolímero puede proporcionar una solución para producir materiales de construcción más ecológicos para el desarrollo sostenible.

Davidovits destacó el impacto en el calentamiento global debido a la emisión de CO2 de las producciones de cemento Portland y la necesidad de materiales cementosos de bajas emisiones de CO2. Rai et al. presentaron varios aspectos ambientales de la eliminación de cenizas de carbón y la contaminación de las aguas subterráneas, mientras que Pandey et al. se destacó el problema de la generación de cenizas volantes en las centrales térmicas y su eliminación, junto con la contaminación por presencia de arsénico. Rajamane y Sabitha estudiaron la acción puzolánica de las cenizas volantes y el humo de sílice con el hidróxido de calcio generado durante la hidratación del cemento. Suri explicó la aplicación de cenizas volantes para la fabricación de productos de construcción innovadores para la construcción, desde la utilización parcial hasta la utilización total de cenizas volantes en hormigón geopolímero. Jiminez et al. informó de que las cenizas volantes activadas tienen propiedades de fraguado rápido y de desarrollo de fuerza rápida y también se utilizan para la inmovilización de residuos tóxicos. Davidovits demostró la policondensación del geopolímero a temperaturas inferiores a 100°C y la reacción química involucrada en su formación. Hardjito et al. se estudió el efecto de la relación de sólidos de agua a geopolímero por masa en la resistencia a la compresión del concreto de geopolímero a base de cenizas volantes, mientras que Fongjan y Ludger observaron que las relaciones óxido-mol, las propiedades físicas y las morfologías de los materiales sólidos y las condiciones de curado son los factores clave que influyen en las propiedades potenciales del mortero geopolímico. Rangan et al. se encontró que el concreto de geopolímero a base de cenizas volantes tiene una excelente resistencia al ataque de sulfato, sufre baja fluencia y sufre muy poca contracción por secado. Hardjito et al. estudiaron los efectos del tiempo de mezcla y el período de descanso mientras Sumajouw et al. se estudió el comportamiento y la resistencia de columnas y vigas de hormigón geopolímero reforzado. El efecto de la composición molar de los óxidos presentes en la mezcla y el contenido de agua utilizado en el proceso de polimerización ha sido estudiado por Barbosa et al. . van Jaarsveld et al. observó que el contenido de agua tiene un efecto sustancial en las propiedades finales del geopolímero, mientras que la relación solución-cenizas volantes no es un parámetro relevante como observaron Palomo y Fernández Jiménez . Ranganath y Mohammed destacaron el efecto de las cenizas volantes, el contenido de agua, la relación de silicato de sodio a hidróxido de sodio y la duración del curado a temperatura elevada en las propiedades del concreto de geopolímero, mientras que Mustafa Al Bakri et al. y Jamkar et al. se observó el aumento de la trabajabilidad y la resistencia a la compresión con el aumento de la finura de las cenizas volantes.

En la presente investigación, se lleva a cabo un trabajo experimental para estudiar el efecto de varias concentraciones de solución de hidróxido de sodio en términos de molaridad en proporciones de solución a cenizas volantes de 0,30, 0,35 y 0,40 sobre la trabajabilidad en términos de flujo en estado plástico y el efecto del grado de calentamiento sobre la resistencia a la compresión después de un período específico de curado térmico de mortero de geopolímero a base de cenizas volantes.

2. Programa experimental

2.1. Materiales

En la presente investigación, se utilizó como material fuente una ceniza volante procesada con bajo contenido de calcio. El residuo de cenizas volantes retenido en un tamiz de 45 µm fue del 7,67%. La tabla 1 muestra la composición química de la muestra de cenizas volantes procesadas en seco. Como activadores alcalinos se utilizaron soluciones de hidróxido de sodio de calidad de laboratorio en forma de escamas (97,8% de pureza) y silicato de sodio (50,72% de sólidos). Se utilizó arena de río disponible localmente como material de relleno. La arena se tamiza con tamices IS de tamaños de 2 mm, 1 mm, 500 micras y 90 micras. Estas fracciones de tamaño se combinan en proporciones iguales para mantener la clasificación que cumple con la arena estándar según IS 650: 1991. La solución alcalina a cenizas proporciones fueron considerados como 0.35, 0.40 y 0.45 para cada 2.91 M, 5.61 M, 8.11 M, 11.01 M, 13.11 M, 15.06 M concentrada de hidróxido de sodio soluciones. El curado en horno se realizó a 60°C, 90°C y 120°C cada uno durante un período de calentamiento de 24 horas de duración y se probó después de 3 días de período de prueba después del calentamiento.

2.2. Preparación de solución de hidróxido de sodio

Dependiendo de la concentración de solución de hidróxido de sodio requerida, se agregaron copos de hidróxido de sodio en un litro de agua destilada en lugar de preparar una solución de un litro. Luego se encontró molaridad a partir de las mediciones de laboratorio. Por ejemplo, la solución de hidróxido de sodio de 3 M consiste en 3 × 40 = 120 gramos de sólidos de NaOH por litro de solución. Pero en lugar de eso, se agregaron copos de hidróxido de sodio de 120 gramos en un litro de agua destilada. Así que el volumen total de solución fue de 1.030 litros. El sólido contenido en un litro de solución de hidróxido de sodio se estimó en (120/1030) × 1000 = 116,40 gm. Por lo tanto, la molaridad de la solución es (116,40/40) = 2,91 M en lugar de 3 M. La solución de hidróxido de sodio se preparó dos días antes de la fundición de cubos de mortero para enfriar la solución hasta la temperatura ambiente, específicamente en la temporada de verano.

2.3. Preparación de Mezclas de mortero de geopolímero

Las mezclas de mortero de geopolímero se prepararon después de reemplazar totalmente el cemento por la misma cantidad de cenizas volantes y activarlo con soluciones alcalinas de hidróxido de sodio y silicato de sodio. Los cubos de mortero de geopolímero se prepararon utilizando proporciones 1 : 3 de cenizas volantes y arena disponible localmente con una clasificación similar a la arena estándar. Las cantidades de solución alcalina y agua se calcularon considerando la relación solución-cenizas volantes de 0,35, 0,40 y 0,45, la relación silicato de sodio-hidróxido de sodio en masa de 1,0 y la relación agua-geopolímero sólido en masa de 0.2625 sobre la base de investigaciones anteriores . Cantidades calculadas de solución de silicato de sodio mezcladas con solución de silicato de sodio junto con agua adicional, si la hay, en una botella de vidrio de cinco litros de capacidad y agitadas suavemente para dar una solución homogénea. La solución preparada se mantuvo a un lado durante aproximadamente 2 horas para evitar cualquier contaminación durante la colada.

La fundición del mortero de geopolímero es similar a la del mortero de cemento en el que se hizo una mezcla seca de cenizas volantes y arena graduada en un recipiente de capacidad de 6 kg y luego se agrega una solución alcalina y se mezcla completamente durante 2 a 3 minutos para dar una mezcla homogénea. Se encontró que el mortero de geopolímero fresco a base de cenizas volantes era viscoso, cohesivo y de color oscuro. Después de hacer la mezcla homogénea, la trabajabilidad del mortero de geopolímero fresco se midió mediante un aparato de mesa de flujo según IS 5512-1983 y IS 1727-1967. Luego, por cada concentración de hidróxido de sodio, 48 cubos de tamaño 70.7 mm × 70,7 mm × 70,7 mm se fundieron en tres capas. Cada capa se compactó bien mediante una varilla de apisonamiento de 20 mm de diámetro. Después de la compactación del mortero, la superficie superior se niveló con una llana y los lados del molde se golpearon suavemente para expulsar el aire, si lo hubiera, presente en el interior del mortero. Todos los cubos se retiraron de los moldes después de 24 horas de fundición y luego se colocaron en un horno para el curado térmico (calentamiento). Para evitar la variación repentina de la temperatura, se permitió que los cubos de mortero se enfriaran a temperatura ambiente en el propio horno. Después de 24 horas, las muestras se retiraron del horno y se tomó el peso de cada muestra para determinar la densidad de masa y luego se probó la resistencia a la compresión después de 3 días de calentamiento. El procedimiento de prueba es similar al del mortero de cemento mencionado en IS 4031 (parte VI) -1981. Se fundieron tres cubos y se probó su resistencia a la compresión para cada período de curado.

3. Resultados y discusiones

Los resultados de trabajabilidad en términos de flujo y efecto de varias concentraciones de solución de hidróxido de sodio y temperatura sobre la resistencia a la compresión del mortero de geopolímero se presentan en las siguientes secciones.

3.1. Efecto de la Concentración de Hidróxido de Sodio en la trabajabilidad del mortero de geopolímero

Como el mortero de geopolímero era viscoso y el agua sale durante el proceso de polimerización, la prueba de la tabla de flujo muestra resultados comparativamente buenos que los otros métodos de medición de trabajabilidad. La Figura 1 muestra el efecto de la concentración de solución de hidróxido de sodio en términos de molaridad en el flujo de mortero de geopolímero después de 10 sacudidas para proporciones de solución a cenizas volantes de 0.35, 0.40 y 0.45. Se observa que la mayor concentración de solución de hidróxido de sodio dio lugar a un flujo más alto para la relación solución alcalina-cenizas volantes de 0,35 y 0,40. Esto significa que el flujo de mortero de geopolímero aumenta con el aumento de la concentración de solución de hidróxido de sodio. Pero para una relación de solución a cenizas volantes de 0,40, la tasa de ganancia de flujo no es muy significativa en y por encima de 11.Concentración de 01 M de solución de hidróxido de sodio. Podría deberse a la reducción de la cantidad de agua requerida para mantener la relación sólida de agua a geopolímero de 0,2625 en la mezcla y el mortero de geopolímero hecho con solución de hidróxido de sodio altamente concentrada da una mezcla muy viscosa.

Gráfico 1

Efecto de la concentración de hidróxido de sodio en el flujo de mortero de geopolímero para diferentes proporciones de solución a cenizas volantes.

3.2. Efecto de la Concentración de Hidróxido de Sodio sobre la Resistencia a la Compresión del Mortero de Geopolímero

La Figura 2 muestra el efecto de la concentración de solución de hidróxido de sodio en términos de molaridad sobre la resistencia a la compresión del mortero de geopolímero calentado en horno a temperaturas de 40, 60, 90 y 120°C durante 24 horas y probado después de 3 días de calentamiento del horno para una relación de solución a cenizas volantes de 0,35. Se observa que la resistencia a la compresión del hormigón geopolímero aumenta con el aumento de la concentración de solución de hidróxido de sodio para todas las temperaturas, pero la tasa de ganancia de resistencia es diferente para diferentes concentraciones de solución de hidróxido de sodio. La tasa de ganancia de resistencia es mayor entre temperaturas de curado de 40 y 60°C en comparación con 60 a 90°C y 90 a 120°C para todas las concentraciones de solución de hidróxido de sodio. Sin embargo, no hay una variación significativa en la resistencia a la compresión del mortero de geopolímero en y por encima de 13.Concentración de 11 M de solución de hidróxido de sodio. Se debe a una formación de mezcla muy viscosa a una mayor concentración de hidróxido de sodio que crea un problema de compactación. También se observa que la concentración leve de solución de hidróxido de sodio de 2,91 M da poca resistencia.

Gráfico 2

Efecto del grado de calentamiento para diferentes concentraciones de solución de NaOH sobre la resistencia a la compresión en una relación solución-cenizas volantes de 0,35.

Las figuras 3 y 4 muestran el efecto de la concentración de solución de hidróxido de sodio en la resistencia a la compresión del mortero de geopolímero para una relación de solución a cenizas volantes de 0,40 y 0,45 al mantener constantes otros parámetros. Se observa que la resistencia a la compresión del hormigón geopolímero aumenta con el aumento de la concentración de solución de hidróxido de sodio para todas las temperaturas, pero la tasa de ganancia de resistencia a 60°C y por encima de ella no es muy significativa. Esto significa que el grado de calentamiento a 60°C es suficiente cuando la relación solución-cenizas volantes es de 0,40 y 0.45. De manera similar, la solución de hidróxido de sodio con una concentración de 8,01 M es suficiente para lograr una resistencia notable. La mayor proporción de solución a cenizas volantes muestra una mayor resistencia a la misma concentración de solución de hidróxido de sodio. Pero una mayor proporción de solución a cenizas volantes da una mezcla más viscosa y crea dificultades en la compactación, lo que en última instancia reduce la resistencia, como se observa claramente en la Figura 4.

Gráfico 3

Efecto del grado de calentamiento para diferentes concentraciones de solución de NaOH sobre la resistencia a la compresión en una relación solución-cenizas volantes de 0,40.

Gráfico 4

Efecto del grado de calentamiento para diferentes concentraciones de solución de NaOH sobre la resistencia a la compresión en una relación solución-cenizas volantes de 0,45.

3.3. Efecto de la Concentración de Solución de Hidróxido de Sodio en la Densidad de Masa del Mortero de Geopolímero

El cuadro 2 muestra el efecto de la concentración de solución de hidróxido de sodio en la densidad de masa del mortero de geopolímero calculado después de calentar el horno a 90°C durante 24 horas y enfriar los cubos en el horno durante otras 24 horas para una relación de solución a cenizas volantes de 0,35. Se observa que la densidad de masa promedio es de 2178,73 kg / m3 para todas las mezclas. No hay grandes variaciones en la densidad de masa del mortero de geopolímero para todas las concentraciones de solución de hidróxido de sodio para todas las proporciones de solución a cenizas volantes, como se observa en los Cuadros 2, 3 y 4. Esto significa que la densidad del concreto de geopolímero no depende de la concentración de la solución de hidróxido de sodio, así como de las proporciones de solución a cenizas volantes.

3.4. Efecto de la Concentración de Solución de Hidróxido de Sodio sobre la alcalinidad del mortero de Geopolímero

Después de probar la resistencia a la compresión de los cubos de mortero, el material del cubo de mortero se trituró y se tamizó a través de un tamiz de 90 µm. Luego se tomó 20 g de material en polvo con 200 mL de agua destilada en un vaso de precipitados de vidrio de 500 mL de capacidad. La mezcla se agitó durante unos minutos y después de 24 horas, la solución se filtró con papel Whatman No. 9. Luego se midió la alcalinidad de la solución filtrada en un medidor de pH digital.

Los cuadros 2, 3 y 4 muestran el efecto de la concentración de solución de hidróxido de sodio en la alcalinidad del mortero de geopolímero para proporciones de solución a cenizas volantes de 0,35, 0,40 y 0,45, respectivamente. Se observa que la alcalinidad del mortero de geopolímero no se ve muy afectada con el aumento de la concentración de solución de hidróxido de sodio. El valor máximo de pH del mortero de geopolímero es 10.92, que es menor que el del mortero de cemento convencional (pH = 11.3–11.6). Esto significa que hay menos posibilidades de reacción de agregado alcalino a pesar de que se utiliza una solución altamente alcalina para la preparación de mortero de geopolímero.

3.5. Efecto de la Duración del Calentamiento sobre la Resistencia a la compresión del Mortero de Geopolímero

La Figura 5 muestra el efecto de la duración del calentamiento sobre la resistencia a la compresión del mortero de geopolímero a 60°, 90° y 120°C de temperatura para una solución concentrada de hidróxido de sodio de 13,11 M con una relación solución-cenizas volantes de 0,40. Se observa que la resistencia a la compresión del mortero de geopolímero aumenta con el aumento de la duración del calentamiento a una temperatura particular. También se observa que la tasa de ganancia de fuerza aumenta a medida que aumenta la duración del calentamiento específicamente a temperaturas más altas. Después de 12 horas de curado a temperatura, la tasa de ganancia de resistencia no es muy significativa específicamente a 90°C y 120°C. Pero a una temperatura de calentamiento de 60°C, la tasa de ganancia de resistencia aumenta constantemente para todos los períodos de curado. Esto significa que la resistencia del hormigón de geopolímero se puede aumentar aumentando la temperatura con una duración de calentamiento reducida. Pero a una temperatura de calentamiento de 120 ° C, se desarrollan grietas en la superficie del concreto, por lo que la temperatura adecuada para fabricar concreto de geopolímero se encuentra entre 60 y 90°C.

Gráfico 5

Efecto de la duración del calentamiento sobre la resistencia a la compresión a 13,11 M NaOH.

3.6. Efecto del Período de Prueba sobre la Resistencia a la Compresión del Mortero de Geopolímero

Para optimizar la duración del curado a temperatura, se ha llevado a cabo una investigación adicional considerando la duración adicional de 8 y 10 horas y para el período de prueba de 1, 2, 3 y 7 días manteniendo el curado a temperatura a 90°C. La Figura 6 muestra el efecto del período de prueba sobre la resistencia a la compresión del mortero de geopolímero a una temperatura de curado a 90°C durante varios períodos de calentamiento. El período de prueba es la duración del tiempo considerado después de calentar los cubos hasta la prueba de resistencia a la compresión a temperatura ambiente. Se observa que la resistencia del mortero de geopolímero aumenta con el aumento del período de prueba cuando la duración del calentamiento es de 6 horas, mientras que para una mayor duración del calentamiento se observa un aumento significativo de la resistencia hasta el período de prueba de 3 días y luego aumenta con una velocidad lenta. No hay grandes cambios en la resistencia a la compresión del mortero de geopolímero probado después de un período de prueba de 3 días durante 8, 10 y 12 horas de duración de calentamiento. Esto significa que solo 3 días de período de prueba son suficientes para lograr la resistencia deseada para calentar el horno a 90°C y durante 8 horas.

Gráfico 6

Efecto del período de ensayo sobre la resistencia a la compresión del mortero de geopolímero a una temperatura de curado de 90°C durante varios períodos de calentamiento.

4. Conclusiones

En este trabajo se presentó el efecto de la concentración de hidróxido de sodio, temperatura, duración del calentamiento y período de prueba en el desarrollo de mortero de geopolímero. Se observa que la trabajabilidad y la resistencia a la compresión del mortero de geopolímero aumentan con el aumento de la concentración de solución de hidróxido de sodio en términos de molaridad. La tasa de ganancia de resistencia es lenta cuando el calor se cura a 40°C en comparación con la resistencia a 120°C. Pero no hay un cambio apreciable en la resistencia a la compresión más allá de la temperatura de curado de 90°C. De manera similar, la duración del calentamiento en el rango de 6 a 24 horas produce una mayor resistencia a la compresión. Sin embargo, el aumento de la fuerza más allá de las 12 horas no es muy significativo. También se observa que la resistencia a la compresión del hormigón geopolímero aumenta con el aumento del período de prueba de hasta tres días. Por lo tanto, para la preparación adecuada del mortero de geopolímero, se recomienda una solución de 13 molares de hidróxido de sodio sobre la base de la trabajabilidad y la resistencia a la compresión. Del mismo modo, también se recomienda que los cubos se curen en un horno a 90°C durante 8 horas y se prueben después de un período de prueba de 3 días.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no existe conflicto de intereses con respecto a la publicación de este artículo.