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CEMENTOS ALCALINOS COMPÓSITOS BASE VIDRIO RECICLADO Y
METACAOLÍN
Presentada por:
DULCE ESMERALDA ORTEGA ZAVALA
Director de Tesis
DR. J. IVÁN ESCALANTE GARCÍA
Ramos Arizpe, Coahuila 6-septiembre-2012
Maestría en Ciencias en Ingeniería Cerámica
Propuesta de Tesis
Ramos Arizpe, Coah. Septiembre 2012
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPNUNIDAD SALTILLO
Dulce Esmeralda Ortega Zavala 2
, y
Estudiar el desarrollo de las propiedades mecánicas, estabilidad dimensional y productos de reacción en función al tiempo de fraguado.
GeneralInvestigar 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.
1. OBJETIVOS
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
Estudiar el efecto de la temperatura de curado en la reactividad.
MSS
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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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•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.
El vidrio es un material fácilmente recuperable.
Figura 1. Cantidad de los diferentes tipos de vidrio que se recicla en México [1].
60%25%
10%
5%
Porcentaje de reciclaje del vidrio
Verde
Claro
Extraclaro
Opaco o ámbar
[1] Taipale, K. State of the World 2012. moving toward sustaintable prosperity, (2012).
En México: volumen de residuos de vidrio es 34.7% del total, se recicla el 17.8% .
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GEOPOLÍMEROSCementos activados por
álcalis
Los cementos de metacaolín activados por álcalis presentan ventajas con respecto al cemento Portland desde diversas perspectivas como:
•económicas•ecológicas•tecnológicas
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.
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3.1 Cementos Alcalinos
•Redes amorfas de aluminosilicatos de Na+ o K+, formados por aluminatos tetraédricos y unidades condensadas de silicato en una estructura eléctricamente equilibrada (Figura 2).
3. ANTECEDENTES
O[ O ―] M+Si Al
O
O
O
O
O[ Si
O
O
O
O
O
O
O ―Si―] M+Al
O[ Si
O
O
O
O
O
O
O
O
O ―Si―O―Si―O] M+Al
Sialato
Sialato Siloxo
Sialato Disiloxo
Figura 2. Representación esquemática de las formas posibles de unidades de sialatos tetraédricos.
Los cementos alcalinos usan un activante alcalino para iniciar las reacciones que
producen un material cementoso.
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Figura 3. Modelo microestructural de los geopolímeros base MK, propuestos por Davidovits .
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.
Los geopolímeros carecen de un ordenamiento atómico.
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La síntesis de geopolímeros se lleva a cabo mediante:
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.
La disolución de aluminosilicatos
Polimerización y condensación de las especies disueltas
Solución altamente alcalina
Formación de gel de aluminosilicato
32
22
CONa
SiOONa
NaOH
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3.2 Materias primas de cementos alternativos
SiO2 Al2O3
•Ceniza volante•Escoria de alto horno•Puzolanas naturales•Humo de sílice•Metacaolín
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.
Materias primas minerales o reciclables
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VidrioEl 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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Uso de vidrio reciclado como reemplazo total del cemento Portland:
ESTADO DEL ARTE
Investigación previa en Cinvestav Saltillo propuso una nueva vía de reciclado del vidrio.
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]
Las mejores propiedades mecánicas se obtuvieron para 10% de Na2O con una relación NaOH/Na2CO3 de 1, alcanzando hasta
50MPa a 7 días.
Se mezclaron diferentes tipos de vidrio soda-cal con diferentes activantes alcalinos.
[2]L. E. García-Rivera, “Estudio de los parámetros de procesamiento de espumado de desechos vítreos”, Tesis de Licenciatura para obtener el título de Ingeniero en Materiales, CINNVESTAV del IPN, Unidad Saltillo, 2009.
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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.
4. JUSTIFICACIÓN
El material más usado en mundo es
el concreto base cemento Portland.
Búsqueda de cementos alternativos :
• Con propiedades mecánicas aceptables• De bajo impacto ambiental
• De bajo costo• Durable• Reciclables
5. METODOLOGÍA
Etapa 1
•tiempos de vibrado• mezclado •relación agua/sólidos
Caracterización de las materias primas
•Fluorescencia de Rayos X•Difracción de Rayos X
Etapa 2
Caracterización
Etapa 3
Caracterización
Adquisición y acondicionamiento de materias primas
Pruebas preliminares Preparación de las muestras Optimización
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DOE
Se plantean tres etapas principales.
Eta
pa
pre
lim
inar
For
mu
laci
ón, e
lab
orac
ión
de
mu
estr
as y
car
acte
riza
ción
Op
tim
izac
ión
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RMC
CIC
DRX
MEB
EDS
Se analizaran muestras cúbicas de 2.5 cm a edades de 1 a 120 días.
Seguimiento de la cinética de las reacciones.
Determinación del tipo de productos formados en las pastas a diferentes tiempos.
Caracterización microestructural de algunas formulaciones de las pastas.
Determinación de la composición química elemental de la matriz de productos de reacción.
TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN
Resistencia a la Compresión
Calorimetría isotérmica por conducción
Difracción de Rayos X
Microscopia electrónica de barrido
Espectroscopia por dispersión de energía
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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.
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.
Factor Nivel%VIDRIO 0 25 50 75 100
NaO2 8 10 12 14 16Módulo de SS 0 0.5 1 1.5 2Temperatura de
curado20 40 60 20-70(12)-20 20-70(24)-20
Área superficial de vidrio
250 350 450 550 650
Factor Nivel%VIDRIO 0 25 50 75 100
Activante NH NC 1NH:1NC 7NH:2NC 2NH:7NCÁrea
superficial250 350 450 550 650
%Na2O 8 10 12 14 16
Temperatura de curado
20 40 60 20-70(12)-20 20-70(24)-20
ETAPA 2 “DOE”
Parte 1: Evaluación de MSS
Parte 2: Evaluación de NH y NC
Tabla 2. Nomenclatura de los experimentos propuestos y contenido de cada una de las variables de interés
% vidrio %NaO2 Modulo SS Temp CuradoArea sup
vidrioMk
CMV-1 0 8 0 20 250 100CMV-2 0 10 0.5 40 350 100CMV-3 0 12 1 60 450 100CMV-4 0 14 1.5 2070(12)20 550 100
CMV-5 0 16 2 2070(24)20 650 100CMV-6 25 8 0.5 60 550 75CMV-7 25 10 1 2070(12)20 650 75
CMV-8 25 12 1.5 2070(24)20 250 75CMV-9 25 14 2 20 350 75
CMV-10 25 16 0 40 450 75CMV-11 50 8 1 2070(24)20 350 50CMV-12 50 10 1.5 20 450 50CMV-13 50 12 2 40 550 50CMV-14 50 14 0 60 650 50CMV-15 50 16 0.5 2070(12)20 250 50CMV-16 75 8 1.5 40 650 25CMV-17 75 10 2 60 250 25CMV-18 75 12 0 2070(12)20 350 25
CMV-19 75 14 0.5 2070(24)20 450 25CMV-20 75 16 1 20 550 25CMV-21 100 8 2 2070(12)20 450 0
CMV-22 100 10 0 2070(24)20 550 0CMV-23 100 12 0.5 20 650 0CMV-24 100 14 1 40 250 0CMV-25 100 16 1.5 60 350 0
% vidrio ActivanteÁrea
superficial%Na2O
Temp de curado
Mk
CMV-HC1 0 NH 250 8 20 100CMV-HC2 0 NC 350 10 40 100CMV-HC3 0 1NH:1NC 450 12 60 100CMV-HC4 0 7NH:2NC 550 14 2070120 100CMV-HC5 0 2NH:7NC 650 16 2070220 100CMV-HC6 25 NH 350 12 2070120 75CMV-HC7 25 NC 450 14 2070220 75CMV-HC8 25 1NH:1NC 550 16 20 75CMV-HC9 25 7NH:2NC 650 8 40 75
CMV-HC10 25 2NH:7NC 250 10 60 75
CMV-HC11 50 NH 450 16 40 50
CMV-HC12 50 NC 550 8 60 50
CMV-HC13 50 1NH:1NC 650 10 2070120 50
CMV-HC14 50 7NH:2NC 250 12 2070220 50
CMV-HC15 50 2NH:7NC 350 14 20 50
CMV-HC16 75 NH 550 10 2070220 25
CMV-HC17 75 NC 650 12 20 25
CMV-HC18 75 1NH:1NC 250 14 40 25
CMV-HC19 75 7NH:2NC 350 16 60 25
CMV-HC20 75 2NH:7NC 450 8 2070120 25
CMV-HC21 100 NH 650 14 60 0
CMV-HC22 100 NC 250 16 2070120 0
CMV-HC23 100 1NH:1NC 350 8 2070220 0
CMV-HC24 100 7NH:2NC 450 10 20 0
CMV-HC25 100 2NH:7NC 550 12 40 0
Parte 1: Evaluación de MSSParte 2: Evaluación de NH y NC
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ETAPA 3 “optimización”
Los resultados de RMC a 28 ó 90 días permitirán determinar las condiciones y formulaciones óptimas (4 muestras)
Las muestras con mejor RMC se analizarán para estudiar la evolución de los productos de reacción y su comportamiento mecánico.
•RMC•CIC•DRX•MEB•EDS
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6. CRONOGRAMA
Tabla 3. Distribución de las actividades programadas
Tiempo (meses)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ACTIVIDADES
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
14Caracterización por MEB, Calorimetría por conducción,
Resistencia a la compresión, DRXʘ ʘ
15 Discusión de resultados ʘ ʘ
16 Análisis y discusión de conclusiones ʘ ʘ ʘ
17 Escritura de Tesis ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ
