Proyecto Fin de Grado Grado en Ingeniería...
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Proyecto Fin de Grado Grado en Ingeniería Química Desarrollo de geopolímeros porosos a partir de ceniza volante y paval Autor: Juan Antonio Mena Jiménez Tutores: Carlos Leiva Fernández Yolanda Luna Galiano Dep. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018
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Proyecto Fin de Grado
Grado en Ingeniería Química
Desarrollo de geopolímeros porosos a partir de
ceniza volante y paval
Autor: Juan Antonio Mena Jiménez
Tutores: Carlos Leiva Fernández
Yolanda Luna Galiano
Dep. Ingeniería Química y Ambiental
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2018
Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería Química
Desarrollo de geopolímeros porosos a partir de
ceniza volante y paval
Autor:
Juan Antonio Mena Jiménez
Tutor:
Carlos Leiva Fernández
Yolanda Luna Galiano
Dep. Ingeniería Química y Ambiental
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla Sevilla, 2018
Proyecto Fin de Grado: Desarrollo de geopolímeros porosos a partir de ceniza volante y
paval
Autor: Juan Antonio Mena Jiménez
Tutor: Carlos Leiva Fernández
Yolanda Luna Galiano
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los
siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2018
El Secretario del Tribunal
A mi familia
A mis maestros
AGRADECIMIENTOS
Con este trabajo doy fin a una gran etapa de mi vida, donde he crecido como persona,
donde he conocido a grandes personas y aprendido muchos conceptos del sector, los
cuáles serán de gran utilidad para el futuro.
En primero lugar me gustaría agradecer a mis padres por todo su apoyo y ayuda, por
creer en mí y luchar para que consiga realizar mis estudios tanto económicamente como
en todos los sentidos posibles.
En segundo lugar me gustaría mencionar a mi hermano, con el que he convivido en esta
bonita ciudad tantos años, él que me ha ayudado con cualquier duda y cualquier
problema, ha sido un gran apoyo para mí y siempre lo será. Tampoco quiero olvidar a
mi novia, por el apoyo en estos últimos años en todo momento sea cual fuera el motivo.
Por último mencionar a mis profesores Carlos y Yolanda por estar siempre disponible
para cualquier duda y ayuda, por su gran comportamiento hacia mi persona, por su
interés sobre mis estudios, muchas gracias.
RESUMEN
El objetivo de este trabajo es el desarrollo de geopolímeros porosos con ceniza volante
y paval, con el concepto de poroso se quiere conseguir que los materiales tengan
propiedades acústicas, ya que sería un buen sustituto del cemento disminuyendo los
costes.
Para la fabricación de las muestras se ha utilizado como material base paval y ceniza
volante, y una solución alcalina como solución activadora.
Una vez fabricadas las muestras se ha realizado las medidas correspondientes para este
trabajo, teniéndose en cuenta la temperatura y composiciones diferentes. Se han medido
propiedades físicas, mecánicas y acústicas significativas para definir al material.
Por último se han comprado los resultados obtenidos para cada tipo de muestra, por lo
tanto, se ha obtenido los cambios en las propiedades del material según los factores de
fabricación del material.
ABSTRACT
The aim of this work is the development of porous geopolymers with fly ash and paval,
with the concept of porous want to get the materials have acoustic properties, since it
would be a good substitute for cement reducing costs.
For the manufacture of the samples has been used as base material paval and fly ash,
and an alkaline solution as activator solution.
Once the samples are manufactured, the corresponding measures have been taken for
this work, taking into account different temperatures and compositions. Significant
physical, mechanical and acoustic properties have been measured to define the material.
Finally the results obtained have been compared for each type of sample, therefore
changes in the properties of the material have been obtained according to the factors of
manufacture of the material.
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 1
1.1. ACÚSTICA
1.1.1. Intreoducción
1.1.2. El ruido
1.1.3. Principales fuentes de contaminación acústica
1.1.4. Consecuencias en la salud de la contaminación acústica
1.1.5. Medidas descriptivas del ruido
1.2. GEOPOLÍMEROS
1.2.1. Antecedentes
1.2.2. Materias primas
1.2.3. Síntesis de geopolímeros
1.2.3.1. Variables principales
1.2.3.2. Mecanismo de reacción
1.2.3.3. Enlaces de los Aluminosilicatos
1.2.3.4. Propiedades y aplicaciones
2. OBJETO Y ALCANCE .................................................................................... 12
3. MATERIALES Y MÉTODOS....................................................................... 13
3.1. MATERIALES
3.1.1. Cenizas volantes
3.1.2. Paval
3.2. MÉTODOS
3.2.1. Preparación muestras
3.2.2. Estudio de la cinética
3.2.2.1. Generación de poros
3.2.2.2. Reacción de geopolimerización
3.2.3. Caracterización de las propiedades físicas
3.2.3.1. Ensayo de la porosidad abierta
3.2.3.2. Ensayo de la densidad aparente
3.2.4. Caracterización de las propiedades mecánicas
3.2.4.1. Ensayo de resistencia a compresión
3.2.5. Caracterización de las propiedades acústicas
3.2.5.1. Coeficiente de absorción acústica
3.2.5.2. Coeficiente de reducción de ruido
3.2.6. Estudio del impacto ambiental
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................... 26
4.1. ESTUDIO DE LA CINÉTICA
4.1.1. Influencia de la cantidad de paval
4.1.2. Influencia de la temperatura
4.2. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS
4.2.1. Determinación de la porosidad abierta
4.2.1.1. Influencia de la cantidad de paval
4.2.1.2. Influencia de la temperatura
4.2.2. Determinación de la densidad aparente
4.2.2.1. Influencia de la cantidad de paval
4.2.2.2. Influencia de la temperatura
4.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
4.3.1. Determinación de la resistencia a compresión
4.3.1.1. Influencia de la cantidad de paval
4.3.1.2. Influencia de la temperatura
4.4. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES ACÚSTICAS
4.4.1. Coeficiente de absorción acústica
4.4.1.1. Influencia de la cantidad de paval
4.4.1.2. Influencia de la temperatura
4.4.2. Coeficiente de reducción de ruido
4.4.2.1. Influencia de la cantidad de paval
4.4.2.2. Influencia de la temperatura
4.5. ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL
5. CONCLUSIONES .............................................................................................. 40
6. ANEXO ................................................................................................................... 41
6.1. ESTUDIO DE LA CINÉTICA
6.1.1. Generación de poros
6.1.2. Reacción de geopolimerización
6.2. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS
6.2.1. Determinación de la porosidad abierta
6.2.2. Determinación de la densidad aparente
6.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
6.3.1. Determinación de la resistencia a compresión
6.4. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES ACÚSTICAS
6.4.1. Determinación de la absorción acústica
6.4.2. Determinación del coeficiente de reducción de ruido
7. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 50
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Componentes mayoritarios en las cenizas volantes ......................................... 14
Tabla 2. Elementos traza en las cenizas volantes ............................................................ 14
Tabla 3. Composición mineralógica de las cenizas volantes .......................................... 15
Tabla 4. Percentiles 10, 50 y 90 de la distribución de tamaños de partículas de las
cenizas volantes .................................................................................................................. 15
Tabla 5. Componentes mayoritarios en el Paval ............................................................ 16
Tabla 6. Elementos traza en el Paval ............................................................................... 16
Tabla 7. Muestras utilizadas en el proyecto .................................................................... 26
Tabla 8. Resultados del ensayo NEN 7375 de lixiviación ............................................... 39
Tabla 9. Evolución de generación de poros para CV100 a T=40ºC .............................. 41
Tabla 10. Evolución de generación de poros para CV75-PAV25 a T=40ºC ................ 42
Tabla 11. Evolución de generación de poros para CV50-PAV50 a T=40ºC ................ 43
Tabla 12. Evolución de generación de poros para CV50-PAV50 a T=70ºC ................ 43
Tabla 13. Evolución de reacción de geopolimerización para CV100 a T=40ºC ........... 44
Tabla 14. Evolución de reacción de geopolimerización para CV75-PAV25 a
T=40ºC ................................................................................................................................ 45
Tabla 15. Evolución de reacción de geopolimerización para CV50-PAV50 a
T=40ºC ................................................................................................................................ 46
Tabla 16. Evolución de reacción de geopolimerización para CV50-PAV50 a
T=70ºC ................................................................................................................................ 46
Tabla 17. Datos obtenidos de porosidad abierta para las distintas composiciones
a cada temperatura ............................................................................................................ 47
Tabla 18. Datos obtenidos de densidad aparente para las distintas composiciones
a cada temperatura ............................................................................................................ 47
Tabla 19. Datos obtenidos de resistencia a compresión para las distintas
composiciones a cada temperatura .................................................................................. 48
Tabla 20. Datos obtenidos de absorción acústica para frecuencias en tercio de
octava para las distintas composiciones a cada temperatura ........................................ 49
Tabla 21. Datos obtenidos de coeficiente de reducción de ruido para las distintas
composiciones a cada temperatura .................................................................................. 49
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Principales fuentes de contaminación acústica .............................................. 3
Figura 2. Componentes de una onda sonora ................................................................... 4
Figura 3. Longitud de onda (Sonido Agudo-Grave) ....................................................... 4
Figura 4. Proceso de geopolimerización .......................................................................... 8
Figura 5. Disoluciones de materiales con alto contenido en calcio ................................ 9
Figura 6. Nomenclatura de Aluminosilicato ................................................................... 10
Figura 7. Mezcla de cenizas volantes y paval .................................................................. 17
Figura 8. Geopolímero tras añadirle la solución activadora necesaria a la
mezcla de ceniza volante y paval ...................................................................................... 17
Figura 9. Ensayo con vicat ................................................................................................ 18
Figura 10. Ensayo de porosidad abierta .......................................................................... 20
Figura 11. Máquina de compresión de la marca Tinius Olsen Modelo T0317EDG ... 21
Figura 12. Ensayo de resistencia a compresión .............................................................. 22
Figura 13. Tubo de impedancia Kundt conectado al ordenador .................................. 23
Figura 14. Esquema del tubo de impedancia .................................................................. 24
Figura 15. Estudio cinético a distinta composición a 40ºC ............................................ 27
Figura 16. Estudio cinético a distinta temperatura ........................................................ 29
Figura 17. Porosidad abierta media (%) a distinta composición a 40ºC ...................... 30
Figura 18. Muestras de distinta composición a 40ºC. CV75PV25-CV100-
CV50PV50 .......................................................................................................................... 31
Figura 19. Porosidad abierta media (%) a distinta temperatura ................................. 31
Figura 20. Muestras a misma composición de 70ºC y 40ºC respectivamente .............. 32
Figura 21. Densidad aparente media (kg/m3) a distinta composición a 40ºC ............. 32
Figura 22. Densidad aparente media (kg/m3) a distinta temperatura ......................... 33
Figura 23. Resistencia a compresión media (MPa) a distinta composición a 40ºC ..... 34
Figura 24. Resistencia a compresión media (MPa) a distinta temperatura ................. 35
Figura 25. Coeficiente de absorción acústica a distinta composición a 40ºC ............... 36
Figura 26. NRC a distinta composición a 40ºC ............................................................... 36
Figura 27. Coeficiente de absorción acústica a distinta temperatura ........................... 37
Figura 28. NRC a distinta temperatura .......................................................................... 38
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1. INTRODUCCIÓN
A lo largo de los años la industria ha estado generando variedad de desechos, los cuáles
se han estado acumulando en ciertas regiones del país, por ejemplo, cabe citar los
subproductos de la manufactura de metales y de la quema de carbón para la generación
de energía [1].
La acumulación de los materiales afecta directamente al ecosistema e indirectamente
como en los siguientes aspectos:
Uso de grandes extensiones de tierra para su almacenamiento.
El costo de oportunidad por no aprovechar las tierras y por alejar de la zona a
inversionistas.
El costo adicional que sufre la empresa por la administración y el equipo pesado
que se requiere para su transporte y acomodo, con un consecuente incremento en
el precio de los productos.
El daño a la salud a los pobladores que viven en las zonas aledañas y una
reducción de la calidad de la vida de los mismos.
La mala imagen que ofrece al turismo las zonas afectadas.
Esto no es solo problema de nuestro país, sino que es un problema global, los gobiernos
y las empresas han estado lidiando con estos desechos y buscando maneras de
solucionar el problema que ellos representan.
Existe una gran solución: encontrar un uso para estos materiales. Para poder llevarlo a
cabo los gobiernos y las empresas deben facilitar el acceso a éstos, estimular y apoyar
económicamente a los investigadores, ingenieros, científicos, diseñadores y
emprendedores, para que puedan encontrar un uso adecuado de los desechos y se
puedan desarrollar productos que puedan ser utilizados como materia prima.
Obviamente cuando nos referimos a “los desechos”, no se habla de un solo material,
sino de una gran variedad de materiales inherentes al proceso en que se generan.
Este estudio está enfocado en aquellos desechos que están principalmente compuestos
de óxidos de aluminio, silicio y calcio. Se han creado materiales cementantes conocimos
como geopolímeros o cementos activados alcalinamente utilizando materias primas
como la ceniza volante de carbón, que es el subproductos de la quema de carbón para la
generación de energía eléctrica, y el paval.
Los geopolímeros son materiales que pueden entrar en el mercado de la construcción,
siendo un competidor directo del cemento Portland ordinario y que presentan ciertas
ventajas sobre éste, tales como:
Su síntesis requiere de menor energía y contamina menos.
Presentan mejores propiedades mecánicas.
Tienen mayor resistencia a ataques químicos.
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1.1. ACÚSTICA
1.1.1. INTRODUCCIÓN
La contaminación acústica se define como la presencia en el ambiente de ruidos o
vibraciones, cualquiera que sea el emisor acústico que los origine, que impliquen
molestia, riesgo o daño para las personas, para el desarrollo de sus actividades o para los
bienes de cualquier naturaleza, o que causen efectos significativos sobre el medio
ambiente [2].
La Organización Mundial de la Salud publicó una lista donde aparecen las ciudades más
ruidosas del mundo, ubicando a Tokio, Nagasaki y Nueva York en los primeros lugares.
Cabe destacar que España es una de los países más con más contaminación acústica de
Europa.
Las ondas sonoras tienen en un material el siguiente comportamiento:
𝐄𝐢𝐧𝐜 = 𝐄𝐫𝐞𝐟 + 𝐄𝐚𝐛𝐬 + 𝐄𝐭𝐫𝐚𝐧𝐬 Ecuación [1]
Siendo:
Einc: Energía que incide en el material
Eref: Energía que refleja el material
Eabs: Energía que absorbe el material
Etrans: Energía que transmite el material
1.1.2. EL RUIDO
El ruido se clasifica en diferentes niveles, y estos niveles se clasifican según su
intensidad y potencia. Estos niveles se miden generalmente con los decibeles (dB). Con
esta medida se pretende realizar una escala con valor mínimo para el cual el nivel se
trata del mínimo sonido capaz de ser captado por el oído humano.
La escala del ruido medida en dB es la siguiente:
0: Nivel mínimo de audición.
10-30: Nivel de ruido bajo equivalente a una conversación baja.
30-50: Nivel de ruido bajo equivalente a una conversación normal.
55: Nivel de confort acústico en promedio.
65: Nivel máximo permitido de tolerancia acústica establecido por la OMS.
65-75: Ruido molesto equivalente a una calle con tráfico, televisión alta…
75-100: Comienzan daños en el oído que producen sensaciones molestas y
nerviosismo.
100-120: Riesgo de sordera.
120: Umbral de dolor acústico.
140: Nivel máximo que el oído humano puede soportar.
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1.1.3. PRINCIPALES FUENTES DE CONTAMINACIÓN ACÚSTICA
Actualmente, teniendo en cuenta las personas que habitan una ciudad, sobre todo las
zonas con mayor densidad demográfica.
El ruido proviene de diversas fuentes, pero lo podemos clasificar en las siguientes
categorías de mayor importancia:
Circulación de vehículos y transporte: 80 %
Obras y construcciones industriales: 10 %
Ferrocarriles: 6 %
Bares, música, lugares de entretenimiento: 4 %
Figura 1. Principales fuentes de contaminación acústica
1.1.4. CONSECUENCIAS EN LA SALUD DE LA CONTAMINACIÓN
ACÚSTICA
Según la Organización Mundial de la Salud el ruido en exceso tiene efectos adversos
sobre la salud y puede tener efectos físicos y psicológicos.
Al contrario de otros contaminantes, el efecto perjudicial que produce un ruido excesivo
se va generando de manera paulatina y progresiva, llegando a producir problemas en el
estado mental de los individuos expuestos a las condiciones descritas.
Los ruidos que superen los 80 dB pueden provocar gran estrés y otros efectos
perjudiciales como los siguientes:
Dificultad a la hora de comunicarse
Dolor de cabeza
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Disfunción sexual
Perturbación del descanso y del sueño
Disminución de la capacidad auditiva
Gastritis
Estrés, depresión, nerviosismo o fatiga
1.1.5. MEDIDAS DESCRIPTIVAS DEL RUIDO
Para la descripción del ruido se pueden utilizar dos tipos de análisis desde una visión
estadística.
El análisis distributivo indica por cuanto tiempo el nivel sonoro ha estado en un
intervalo de tiempo tales como 67 dB a 68 dB.
El análisis acumulativo indica por cuanto tiempo un determinado nivel sonoro ha sido
superado. Este análisis es el más utilizado, dado que sobre su base se definen las
estadísticas de ruido conocida como niveles de percentiles que sirven para dar
información acerca de cómo varía y fluctúa el nivel sonoro durante el periodo de
medición.
Figura 2. Componentes de una onda sonora.
Figura 3. Longitud de onda (Sonido Agudo-Grave).
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Los percentiles más utilizados en la medición del ruido son el L1, L5, L10, L50, L90, L95,
L99.
Para poder estudiar el ruido más a fondo se utilizan L90, L95, L99 que son definidos como
los percentiles que representan el nivel de presión sonora que está presente casi todo el
tiempo.
Los percentiles L1, L5, L10 se utilizan para analizar los picos de ruido.
L10 y L90 son los que más se utilizan en las medidas técnicas de ruido, la diferencia
entre L10 – L90 es conocido como clima del ruido.
Hay que realizar equivalencias debido a que el nivel sonoro es fluctuante, por ejemplo,
cuando estamos frente a un semáforo, se percibe el ruido de los motores, pero segundos
después estos se ponen en marcha y el nivel de ruido fluctúa. En consecuencia, es
común utilizar el concepto de nivel equivalente para mediciones de ciertos periodos (no
instantáneos). Durante el intervalo de tiempo que dura una medición, tenemos un nivel
sonoro instantáneo que varía con el tiempo, así que es posible calcular la energía total
proporcionada durante el intervalo de tiempo, para luego determinar su nivel
equivalente [3].
1.2. GEOPOLÍMEROS 1.2.1. ANTECEDENTES
A los geopolímeros se les conoce como a un grupo de materiales cementantes que se
sintetizan al poner en contacto materiales compuestos primordialmente de
aluminosilicatos con una solución alcalina, los cuales forman una pasta que fragua y
obtiene una resistencia mecánica con el tiempo.
También son conocidos de otras maneras tales como aluminosilicatos vítreos de baja
temperatura, cementos activados alcalinamente, geocementos, cerámicos con uniones
alcalinas, concretos de polímeros inorgánicos, hidrocerámicos, entre otros [4].
El científico francés Joseph Davidovits bautizó a estos materiales con el nombre de
geopolímeros [5]. Joseph afirma que los geopolímeros se utilizaron desde la
construcción de las pirámides de Egipto [6]. Por otro lado, también hay otros
investigadores que le acreditan los primeros estudios de estos cementantes a un grupo
de científicos [7]. Los primeros estudios los llevó a cabo el investigador alemán Kuhl,
quien en 1930 investigó el comportamiento del fraguado de escorias activadas con
potasa cáustica, en los siguientes años, en 1937 Chassevent continuó la investigación
del tema y midió la reactividad de las escorias activándolas con sosa u potasa cáustica.
Años después en 1940 el científico belga Purdon estudió las escorias activadas con sosa
cáustica o álcalis cáusticos. Ya en 1957 el investigador ruso Glukhovsky supuso un gran
adelanto al proponer un modelo de l reacción que se llevaba a cabo y clasificar estos
cementantes en 2 grupos. Este logro ocurrió después de haber sintetizado varios
cementos a base de escorias, arcillas y rocas vítreas. Posteriormente las investigaciones
continuaron en diferentes países.
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En la década de 1970 Joseph Davidovits recibió una mayor atención con su trabajo, este
trabajo consistía en el estudio de variadas propiedades de estos materiales, a partir de
ello creó un nomenclatura para os enlaces atómicos, estudió muchas aplicaciones para
estos y patentó diversos productos [8].
Debido al ascendente atractivo comercial que está obteniendo estos materiales, diversas
empresas ya han comenzado a desarrollar productos basados en geopolímeros. Incluso
algunas han utilizado estos materiales en escala industrial para diversas aplicaciones
específicas. Algunos ejemplos de ellas pueden ser Lone Star Indutries (EU),
Geoplymere Sarl (Francia) [9]…
1.2.2. MATERIAS PRIMAS
Se pueden emplear diversas materias primas para la fabricación de geopolímeros.
Los más utilizados son los siguientes:
Escoria granulada de alto horno.
Escoria de acero.
Escorias no ferrosas.
Escoria granulada de fósforo.
Paval.
Humo de sílice.
Ceniza volante de carbón.
Metacaolín.
También se pueden utilizar materiales de desecho que no son útiles en la incorporación
al cemento Portland por su composición química. Para conseguir mayores propiedades
mecánicas en los geopolímeros se busca que las materias primas sean lo más vítreas
posibles y de un tamaño menor, dado que así tendrá mayor área superficial.
Por otro lado, se sabe que por sí solos estos materiales no son capaces de formar el
geopolímero, dado que también se necesitan activadores alcalinos que inicien la
reacción química [10].
Para este trabajo se ha utilizado ceniza volante de carbón y paval, utilizando como
activador alcalino una solución formada mezclando 138 g de silicato potásico (en
solución acuosa) y 72,43 g de hidróxido potásico (85 % p) tal que el ratio molar
K2O/SiO2 sea 1,45 como se nombrará más adelante.
1.2.3. SÍNTESIS DE GEOPOLÍMEROS
1.2.3.1. Variables principales
Hay que tener en cuenta algunas variables para la preparación de los geopolímeros, tales
como la temperatura de curado, la concentración alcalina, el tiempo de curado, la
relación agua y sólido, el pH y la concentración de determinados elementos [11].
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La concentración de determinados elementos es muy importante ya que pequeños
cambios en la composición química del material tienen un efecto importante en las
propiedades de éste, un ejemplo de una propiedad que resulta afectada es la resistencia a
la compresión [12].
El tiempo, la temperatura y la humedad afectan considerablemente a la resistencia
mecánica del material [13].
El investigador Kovalchuk descubrió que con las condiciones de curdo se podía
determinar la disponibilidad de agua en el sistema, por lo tanto, también se podía
determinar las características microestructurales del material, el grado de la reacción y
la cinética. Recomendó la utilización de moldes cerrados para obtener altas resistencias
mecánicas [14].
El investigador Criado descubrió que al mantener la humedad relativa por encima del
90% en moldes herméticos se conseguía obtener un material más compacto y denso con
propiedades mecánicas muy buenas, pero si el proceso de curado ocurría en condiciones
de una baja humedad relativa y con contacto al aire se obtenía un material granular,
poroso y con malas propiedades mecánicas [15].
Sindhunata encontró varios factores importantes. Uno de ellos fue que al aumentar la
temperatura de curado, aumentaba el grado de reacción. También se llegó a los mismos
resultados aumentando la relación S/M ( M = Na ó K ) aunque hasta cierto punto, ya
que si este punto se sobrepasa baja el grado de reacción [16].
Para poder entender con más claridad las variables mencionadas es necesario conocer el
mecanismo de reacción que ocurre cuando entra en contacto el material base con el
activador alcalino.
1.2.3.2. Mecanismo de reacción
En la actualidad existen dos grandes grupos de materiales activados alcalinamente que
se están estudiando. Por una parte podemos encontrar las escorias, con gran cantidad de
silicio, calcio y aluminio. Y por el otro lado los materiales ricos en silicio y aluminio
como puede ser la ceniza y el metacaolín [17].
Las escorias, debido a su gran contenido en calcio, tienden a formar o producir CSH
(silicato de calcio hidratado) como producto principal de la reacción [18]. Por otro lado
la ceniza y los materiales que tienen un bajo contenido en calcio formarán
aluminosilicatos amorfos con estructuras tridimensionales [19].
Todas las características de los productos finales tienen dependencia de las materias
primas, de los activadores alcalinos y de las variables nombradas anteriormente.
Existen varios modelos que describen el proceso de activación alcalina de los materiales
con contenido alto de aluminosilicatos.
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Uno de ellos fue el propuesto por Glukhovsky en 1967 [20]. Su modelo estaba formado
por las siguientes etapas:
(1) Rompimiento de los enlaces compuestos.
(2) Formación de núcleos.
(3) Crecimiento y cristalización.
Con el tiempo, otros científicos han modificado este modelo y mejorándolo añadiéndolo
más detalles, llegando al proceso conceptual mostrado en la figura 4.
Uno de los científicos que estudio el modelo de Glukhovsky fue Provis. Comenzó
indicando que el modelo no era lineal como se muestra a continuación en la figura 4,
sino que puede ocurrir que todas las etapas sucedan a la vez.
Aunque, de una forma simplificada, se menciona que la primera etapa involucra la
disolución de los aluminosilicatos en monómeros.
Posteriormente se forman dímeros, trímeros, tetrámeros, hasta finalmente llegar a la
precipitación del gel de aluminosilicatos. A este gel se le denomina gel 1 y es rico en
aluminio.
El investigador Fernández propuso que este fenómeno sucede debido a que los enlaces
Al-O son más débiles que los del Si-O, entonces se rompen fácilmente y el aluminio se
disuelve rápidamente en la solución contribuyendo a la formación del gel 1. Volviendo
a la explicación de Provis, la etapa que continua es la de formación del gel 2, donde el
silicio comienza a disolverse y añadirse al gel ya presente. La última etapa consiste en la
reorganización que ocurre con la incorporación del silicio, la cual es esencial para las
propiedades mecánicas del material [21]. Sin embargo, aún existen detalles por
explicar, sabiendo la complejidad de la reacción, como la influencia de impurezas en la
materia prima [22].
Figura 4. Proceso de geopolimerización.
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En el caso de los materiales con alto contenido de calcio, este modelo no se puede
aplicar y actualmente no se ha propuesto ninguno, pero se ha publicado varias
informaciones que da una idea de lo que puede estar ocurriendo en la reacción.
En la figura 5 se describe los diferentes pasos de la disolución de un material con un
alto contenido en metales alcalinos y alcalinotérreos. En el proceso se observa el
rompimiento de enlaces entre estos metales y el oxígeno, provocando una diferencia de
cargas que poco a poco destruiría la estructura liberando al aluminio y al silicio. Con
todos estos datos, se puede pensar con más claridad como es el proceso que podría
ocurrir en la reacción de la escoria.
Una descripción del supuesto proceso es la siguiente: En primer lugar cuando entra en
contacto con los activadores alcalinos el calcio se liberará primero, este tenderá a
formar enlaces con el silicio que está contenido en el silicato de sodio y el agua
formando CSH. Posteriormente el aluminio se liberará y se mezcla con el CSH
produciendo CASH. En último lugar, el silicio presente en la escoria se libera y se
incorpora a las estructuras ya presentes.
Figura 5. Disoluciones de materiales con alto contenido en calcio [23].
Las relaciones molares juegan un papel fundamental en los procesos mencionaos. La
relación S/A es la más importante ya que ayuda a controlar el producto final dela
reacción geopolimérica. La relación N/S ayuda a controlar el pH y la cantidad de sodio,
que es el encargado de balancear las cargas en el material.
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Por último, la relación H/N ayuda a determinar la cantidad de agua presente en el
sistema lo cual proporciona control sobre la trabajabilidad de la pasta, la porosidad del
geopolímero y todas las propiedades que estos cambios conllevan.
1.2.3.3. Enlaces de los Aluminosilicatos
Algunos investigadores han conseguido identificar los diferentes enlaces que forman los
aluminosilicatos y les han asignado nombres para su rápida investigación. La
nomenclatura que se ha utilizado se muestra en la figura 6 [24].
Esta nomenclatura se ha traducido de la siguiente manera:
El tetraedro de SiO4 se representa con Qn, donde n significa el número de enlaces con
otros tetraedros de SiO4. A los monosilicatos se les identifica con Q0 significa que es
SiO44-
. A los disilicatos y finales de cadena con Q1, a los grupos de en medio con Q
2, a
las ramificaciones con Q3 y a las redes interconectadas con Q
4 [25, 26].
Antes de hablar de la nomenclatura descrita en la figura 6, hay que tener en cuenta la
regla de Lowenstein que dice que cuando dos tetraedros están unidos por un oxígeno,
solo uno de ellos puede ser ocupado por el aluminio [27]. Hablando de otra forma, que
no puede haber enlaces Al-O-Al. Teniendo en cuenta esta información se concluyó que
el aluminio debe estar enlazado a tetraedros de silicio.
Ahora, volviendo a hablar de la nomenclatura de la siguiente figura, los recuadros grises
se leen igual al recuadro naranja con la única excepción de que se indica entre
paréntesis el número de tetraedros de silicio que fueron reemplazados por aluminios.
Figura 6. Nomenclatura de Aluminosilicatos.
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1.2.3.4. Propiedades y aplicaciones
Las propiedades de los geopolímeros generalmente se compraran con el cemento
Portland, ya que es el cemento más utilizado mundialmente. Davidovits descubrió que
los materiales activados alcalinamente base metacaolín pueden tener resistencia a la
compresión a 28 días de 70-100 MPa.
Davidovits también encontró otros puntos de interés a la misma vez [28]:
Inmovilizan materiales peligrosos.
Ayudan a convertir residuos semi-sólidos en sólidos adhesivos.
Obtienen altas resistencias a edades tempranas.
Presentan poco encogimiento.
Tienen buena resistencia a ciclos de congelamiento y descongelamiento.
Presentan buena resistencia a ataques de sulfatos y a la corrosión.
Škvára encontró que los geopolímero con base de ceniza volante tienen una resistencia a
la temperatura de hasta 600 ºC. Fernández encontró que estos materiales tienen módulos
de elasticidad moderados y se unen mejor al acero de refuerzo que el cemento Portland
[29].
Respecto a las escorias activadas se ha encontrado que presentan resistencias a la
compresión de 50 hasta 120 MPa a 28 días simplemente cambiando el módulo del
activador utilizado [30]. Así mismo también se ha encontrado que las escorias activadas
presentan una mayor resistencia al ataque de ácido nítrico y acético que el CPO
(Cemento de Portland ordinario) [31]. Se ha encontrado que los geopolímeros con base
de escoria tienen mejor resistencia al ataque de cloruros que el CPO y que su resistencia
a la compresión se mantiene prácticamente intacta al estar en medios alcalinos [32].
Debido a estas propiedades los geopolímeros pueden ser empleados en estructuras que
se encuentran expuestas a este tipo de medios [33].
En conclusión, existe una cantidad amplia de posibles aplicaciones de los geopolímeros
que van desde paneles resistentes al fuego hasta aplicaciones aeroespaciales. Sin
embargo lo que llama la atención a los científicos a investigar en este tema es que los
geopolímeros son unos materiales que tiene un gran porcentaje de ser un importante
competidor al cemento de Portland, teniendo en cuenta también que este cambio sería
muy favorable para el medio ambiente [34].
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2. OBJETO Y ALCANCE
El objeto de este trabajo es la realización de un geopolímero con propiedades acústicas a
partir de residuos, los cuáles no conllevan un coste significativo.
En este trabajo se va a utilizar ceniza volante y paval como materias primas para la
fabricación de los geopolímeros, ayudándose para ellos de una solución activadora.
Como solución activadora se ha utilizado una solución formada a partir de mezclar 138
g de silicato potásico (en solución acuosa) y 72,43 g de hidróxido potásico (85 %p) tal
que el ratio molar K2O/SiO2 sea 1,45.
Una vez fabricadas las muestras, se les realizará un estudió cinético para evaluar el
tiempo de fraguado. Este tiempo dependerá de la composición de cada muestra y de la
temperatura.
Tras producirse el fraguado, las diferentes muestras se dejarán reposar a temperatura
ambiente 28 días. En esa fecha se medirán propiedades físicas, mecánicas y acústicas,
tal como se describe en el apartado de métodos.
La finalidad de este trabajo es explicar cómo estos residuos que usualmente no se
utilizan o que es una carga para la mayoría de empresas, pueden tener una utilidad
importante, como es la de poder fabricar materiales con propiedades acústicas,
necesarios en diversos lugares en la actualidad.
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3. MATERIALES Y MÉTODOS
En este apartado se describirán los materiales utilizados para la fabricación de los
geopolímeros, los distintos métodos utilizados para determinar las distintas propiedades
del material final, tanto como los instrumentos y máquinas con las que se han llevado a
cabo las medidas.
3.1. MATERIALES
3.1.1. CENIZAS VOLANTES
En este trabajo se utilizará una ceniza volante procedente de la combustión de carbón
pulverizado como materia prima para la fabricación de geopolímeros.
En gran variedad de plantas generadoras de energía eléctrica pulverizan el carbón, lo
queman y con el calor que se emite lo utilizan para calentar agua, evaporarla y mover
una turbina conectada a un generador, consiguiendo finalmente la generación de
electricidad.
Por otro lado, al pulverizar y quemar el carbón en las calderas se llegan a obtener
grandes cantidades de unas partículas sólidas, huecas y muy pequeñas llamadas ceniza
volante de carbón, CV [35].
Las cenizas volantes, en general, esta constituidas por esferas vítreas. Poseen una
granulometría que depende del tamaño de partículas del carbón original, su
composición, de la temperatura de combustión y del sistema de captación de las cenizas.
Las cenizas volantes tendrán una composición química u otra dependiendo del carbón
original utilizado, por ejemplo, antracitas, lignitos, bituminosos o sub-bituminosos [36].
La ceniza volante tiene una composición principalmente de SiO2, Al2O3, Fe2O3 y CaO.
La mayoría de las partículas tiene una estructura vítrea con dimensiones comprendidas
entre 1-100 µm o más [37].
Tienen una morfología esférica o redondeada compuesta de tres tipos de partículas [38]:
Partículas huecas como las cenoesferas.
Partículas huecas pero que contiene partículas dentro de ellas como las
pleroesferas.
Partículas de forma irregular.
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Se pueden clasificar en diferentes tipos según su contenido en cal, atendiendo a la
norma ASTM C618-08, se diferencian las siguientes clases:
Clase F: Se producen a partir de calcinación de carbón bituminoso o antracítico,
con cantidades inferiores al 15 % en contenido de cal, y mayor combinación
entre aluminio, sílice y hierro. Tienen propiedades puzolánicas.
Clase C: Se producen a partir de la calcinación de carbón lignito o sub-
bituminoso, con un contenido de cal entre el 15 % y el 30 %. Tienen
propiedades puzolánicas y cementicias.
Para este estudio se han utilizado cenizas volantes de tipo F, proporcionadas por la
central térmica de Los Barrios (Cádiz), con una potencia instalada alrededor de 567
MW.
La composición química general de las cenizas volantes se ha determinado por
Espectrofotometría de Absorción Atómica (EAA), después de la digestión de las
muestras (ASTM D-3682-78). Los óxidos principales se encuentran en la tabla 1 [39].
Humedad 105 ºC
LOI 750 ºC
Óxidos (% peso)
Fe2O3 CaO MgO SiO2 Al2O3 Na2O K2O
0,05 3,32 5,86 3,94 1,8 63,9 21,5 0,68 1,7
Tabla 1. Componentes mayoritarios en las cenizas volantes.
Los elementos traza se han medido mediante espectroscopía de emisión atómica usando
un plasma de acoplamiento inductivo (ICP-AES) y los resultados se muestran en la
tabla 2.
Concentración (mg‧kg-1
)
As Mo Zn Pb Co Cr Ni Cu Ba Cd Sn Hg Sb Se V
24 17 136 47 33 167 102 97 1287 3 6 0,08 6 19 248
Tabla 2. Elementos traza en las cenizas volantes.
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La composición mineralógica de las cenizas se ha obtenido por análisis de difracción de
rayos X, y ha sido realizada por el Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera
(CSIC).
Los resultados se presentan en la tabla 3.
Composición mineralógica (%peso)
F.
A.
Cuar
zo
Mulli
ta
Hemati
ta
Magneti
ta
Anhid
rita
Illita Calcit
a
A.
A.
Microcli
na
85 4,6 10 0,6 <0,1 0,2 <0,1 <0,1 <0,1 0,1
Tabla 3. Composición mineralógica de las cenizas volantes.
Dónde: F. A. = Fase amorfa; A. A. = Albita-Anortita
La distribución de tamaños de partícula fue determinada mediante un equipo de análisis
de tamaño de partícula por difracción laser (Malvern MASTERSIZER/E) y fue
realizada por el Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera (CSIC).
Los percentiles 10, 50 y 90 (porcentajes de partículas que tienen un tamaño menor o
igual que el diámetro D señalado) de la distribución de tamaños de partícula se
presentan en la tabla 4.
Distribución tamaño de partícula (µm)
D10 D50 D90
7,50 36,9 146,7
Tabla 4. Percentiles 10, 50 y 90 de la distribución de tamaños de partículas de las
cenizas volantes.
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3.1.2. PAVAL
El paval es un subproducto de la industria del aluminio secundario.
A partir de las escorias salinas se producen tres productos:
Concentrados de aluminios
Sales de fundición que vuelven en ciclo cerrado al proceso de producción de
aluminio secundario
Un mineral secundario, de nombre comercial Paval
Su componente principal es el óxido de aluminio, con características parecidas a la
bauxita, mineral primario con el cuál se producen aluminio y alúmina.
Tiene numerosas aplicaciones, producción de lana de roca, de cementos, de cerámica o
de firmes antideslizantes [40, 41].
La composición química general del residuo se ha determinado por Espectrofotometría
de Absorción Atómica (EAA), después de la digestión de las muestras (ASTM D-3682-
78). Los óxidos principales se encuentran en la tabla 5 [39].
Humedad 105 ºC
LOI 750 ºC
Óxidos (% peso)
Fe2O3 CaO MgO SiO2 Al2O3 Na2O K2O
4,58 8,62 2,45 3,06 5,87 11,37 75,9 1,61 0,88
Tabla 5. Componentes mayoritarios en el Paval.
Los elementos traza se han medido mediante espectroscopía de emisión atómica usando
un plasma de acoplamiento inductivo (ICP-AES) y los resultados se muestran en la
tabla 6.
Concentración (mg‧kg-1
)
As Mo Zn Pb Co Cr Ni Cu Ba Cd Sn Hg Sb Se V
15,8 74 2056 322 18 802 320 3550 2794 <2 62 <1 15,3 562 160
Tabla 6. Elementos traza en el Paval.
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3.2. MÉTODOS
3.2.1. PREPARACIÓN MUESTRAS
Para la preparación de las muestras se realizan diversos pasos.
Antes que nada se prepara la solución activadora, ya que debe dejarse reposar al menos
un día antes de utilizarla para la fabricación.
En este trabajo se ha utilizado como solución activadora una solución formada
mezclando 138 g de silicato potásico (en solución acuosa) y 72,43 g de hidróxido
potásico (85 % p) tal que el ratio molar K2O/SiO2 sea 1,45.
La preparación de las probetas donde se introduce el material fabricado, son moldes de
plástico, a los cuáles hay que añadirle desencofrante para facilitar el posterior desmolde
tras el fraguado, parafinas para que no salga material por la zona inferior y cinta
americana para que no pueda salir material por el borde.
Una vez listas las probetas, se mezclan en un recipiente las cantidades de cenizas
volantes y paval en proporción para cada tipo de composición realizada en el trabajo
(figura 7). Tras tener una mezcla homogénea se le añade la solución activadora poco a
poco y se va mezclando hasta obtener una pasta manejable y tixotrópica. Para facilitar el
proceso de mezcla se usa una máquina vibradora (figura 8).
Figura 7. Mezcla de cenizas volantes y paval.
Figura 8. Geopolímero tras añadirle la solución activadora necesaria a la mezcla
de ceniza volante y paval.
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Finalmente, transportar las muestras a la estufa a su temperatura adecuada hasta su
fraguado, que se retirará y se desmoldara para obtener las diferentes caracterizaciones a
los 28 días.
3.2.2. ESTUDIO DE LA CINÉTICA
3.2.2.1. Generación de poros
Para el estudio de la cinética de generación de poros, básicamente lo único que
necesitamos es una regla. Consiste en que una vez fabricada la muestra e introducida en
la estufa a su temperatura correspondiente, se mide continuamente la altura a la que va
subiendo la muestra, que es una medida de cuantos y como se están generando los poros
en el material utilizado. Así se determina con que composición y/o temperatura ocurre
mayor o menor generación de poros.
Para que la muestra suba bien se coloca otra probeta encima de la fabricada, para que la
generación de poros sea completamente vertical, colocando peso en la probeta superior
para que no se incline.
3.2.2.2. Reacción de geopolimerización
El estudio de la cinética de la reacción de geopolimerización consiste en realizar el
ensayo de fraguado usando una aguja de Vicat (figura 9).
Al igual que con la generación de poros se mide continuamente una vez fabricadas las
muestras.
Figura 9. Ensayo con vicat.
Como se ha mencionado anteriormente el método normalizado para determinar el
tiempo de fraguado en todos los países del mundo utiliza, prácticamente, la aguja de
Vicat. Dicho método trata de fijar, a efectos de utilización práctica de los cementos, el
intervalo de tiempo durante el cual se pueden trabajar los hormigones o los morteros
antes de que se inicie el fraguado.
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Se ha probado, desde un punto de vista experimental, que cuando se mezcla un cemento
con una cantidad apropiada de agua, de tal modo que se obtenga una consistencia
definida (consistencia normal), se obtiene una masa plástica que conserva su plasticidad
durante un tiempo determinado; a continuación se produce un aumento brusco de su
viscosidad, a la vez que un incremento de la temperatura de la pasta, que se pone de
manifiesto por la resistencia que la masa ejerce a la penetración de una aguja (principio
del fraguado).
A partir de este momento la masa va adquiriendo mayor rigidez y su resistencia a la
penetración va aumentando, hasta que cesa su deformabilidad y se transforma en un
bloque rígido (final del fraguado); su determinación es convencional ya que la reacción
de hidratación continúa a lo largo del tiempo y las resistencias mecánicas del bloque
(endurecimiento) crecen regularmente.
Para realizar este ensayo se ha seguido la norma UNE-EN 196-3:2005
3.2.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS
Estas medidas se realizan a los 28 días del fraguado de la muestra.
3.2.3.1. Ensayo de la porosidad abierta
El estudio de la porosidad abierta en este trabajo es de gran importancia, dado que está
relacionado directamente con las propiedades acústicas.
Se trata de una medida de la fracción de huecos de un material, siendo 0 ninguna
fracción de huecos y 1 toda la fracción es hueco (algo imposible, pues entonces no
habría material).
Este ensayo se ha realizado cumpliendo la legislación vigente UNE_EN1936:2007 [42].
Para llevar a cabo esta medida, simplemente hay que utilizar una probeta y agua
destilada.
Se realizan los siguientes pasos:
1. Primeramente se calcula el volumen total de la muestra, midiendo su altura y
diámetro:
𝐕𝐓𝐨𝐭𝐚𝐥 = 𝛑
𝟒∙ 𝐝𝟐 ∙ 𝐡 Ecuación [2]
2. Una vez anotada la medida, se introduce la muestra en la probeta hasta el fondo
de la probeta, esta rellenada de agua destilada previamente y anotando el
volumen llenado, una vez introducida la muestra se determina el volumen
desplazado:
𝐕𝐃𝐞𝐬𝐩𝐥𝐚𝐳𝐚𝐝𝐨 = 𝐕𝐏𝐫𝐨𝐛𝐞𝐭𝐚+𝐦𝐮𝐞𝐬𝐭𝐫𝐚 − 𝐕𝐏𝐫𝐨𝐛𝐞𝐭𝐚 Ecuación [3]
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3. Tras el paso de dos o tres días, se vuelve a medir el volumen de la probeta +
muestra para calcular el volumen desplazado desde el día que se introdujo la
muestra, esa diferencia de volúmenes será el volumen ocupado por los huecos de
la muestra:
𝐕𝐇𝐮𝐞𝐜𝐨𝐬 = 𝐕𝐏𝐫𝐨𝐛𝐞𝐭𝐚+𝐦𝐮𝐞𝐬𝐭𝐫𝐚 − 𝐕𝐏𝐫𝐨𝐛𝐞𝐭𝐚+𝐦𝐮𝐞𝐬𝐭𝐫𝐚𝐟𝐢𝐧𝐚𝐥 Ecuación [4]
4. Finalmente, se obtiene la porosidad abierta a partir de el volumen de huevos y el
volumen total de la muestra:
𝐏𝐨𝐫𝐨𝐬𝐢𝐝𝐚𝐝 𝐀𝐛𝐢𝐞𝐫𝐭𝐚 ( % ) = 𝐕𝐇𝐮𝐞𝐜𝐨𝐬
𝐕𝐓𝐨𝐭𝐚𝐥 ∙ 𝟏𝟎𝟎 % Ecuación [5]
Figura 10. Ensayo de porosidad abierta.
3.2.3.2. Ensayo de la densidad aparente
El estudio de la densidad aparente se ve relacionado con las propiedades acústicas y
mecánicas, por ese motivo, es un factor importante a tener en cuenta.
Para realizar este ensayo se ha seguido la norma UNE-EN 12467 [43].
Los pasos a tener en cuenta para la determinación de la densidad aparente son los
siguientes:
1. Se calcula el volumen total de la muestra siguiendo la ecuación [1], como se
hizo anteriormente para la porosidad abierta, es más, este ensayo es previo a la
porosidad abierta, es decir, se utiliza la misma muestra para los dos ensayos.
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2. Una vez calculado el volumen total, se introducen la muestra en una estufa a 105
ºC, para poder obtener el peso seco de la muestra. Para ello pesarla
continuamente, con una balanza de al menos 1% del peso de la muestra, hasta
que alcance un peso constante
3. Por último, con los datos determinados, se obtiene la densidad aparente a partir
de la siguiente ecuación:
𝛒 = 𝐖
𝐕 Ecuación [6]
Siendo:
𝜌 : Densidad aparente (g / cm3);
𝑊: Peso seco del material (g);
𝑉: Volumen total de la muestra (cm3).
3.2.4. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
Esta medida se realiza a los 28 días del fraguado de la muestra.
3.2.4.1. Ensayo de resistencia a compresión
La resistencia compresión es el único ensayo que se ha realizado respecto a las
propiedades mecánicas de las muestras. A partir de este ensayo se pueden determinar
datos sobre el esfuerzo máximo soportado a una carga.
Para llevar a cabo esta medida se ha utilizado una máquina de compresión de la marca
Tinius Olsen Modelo T0317EDG con un rango de presión ejercida de 2000 kN (figura
11).
Figura 11. Máquina de compresión de la marca Tinius Olsen Modelo T0317EDG.
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La resistencia de compresión se ha medido siguiendo el procedimiento de la norma C39
[44]. Este método de ensayo trata sobre la determinación de la resistencia a compresión
de especímenes cilíndricos, tales como cilindros moldeados y núcleos perforados. Se
encuentra limitado al concreto que tiene un peso unitario mayor que 50 lb/ft3 [800
kg/m3].
Esta norma no pretende tener en cuenta todo lo relativo a seguridad. Es responsabilidad
del usuario de esta norma establecer prácticas apropiadas de seguridad y salud y
determinar la aplicabilidad de las limitaciones regulatorias previo al uso.
El principio de funcionamiento de esta máquina es el siguiente:
1. Previamente, medir altura y diámetro de la muestra, dado que luego
necesitaremos su área para calcular la resistencia a compresión.
2. Una vez anotadas las medidas, se pone en funcionamiento la máquina, y se
introduce la muestra en la parte central.
3. Cuando la muestra está bien posicionada se debe cerrar la válvula de by-pass y
pulsar el botón de RUN.
4. Finalmente fijándonos en el visualizador que tiene la máquina, cuando llegue a
un valor máximo se debe pulsar STOP y anotar el valor obtenido en kN.
5. Para calcular la resistencia a compresión, se debe realizar mediante la siguiente
fórmula:
𝐑𝐜 = 𝐅
𝐀∙ 𝟏𝟎 Ecuación [7]
Siendo:
𝑅𝑐 : Resistencia a compresión (Mpa);
𝐹 : Fuerza aplicada (kN);
A : Área de la probeta (cm2).
Figura 12. Ensayo de resistencia a compresión.
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3.2.5. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES ACÚSTICAS
Estas medidas se realizan a los 28 días del fraguado de la muestra.
3.2.5.1. Coeficiente de absorción acústica
El coeficiente de absorción acústica (α) expresa la energía acústica absorbida por la
superficie de un determinado material respecto a la energía acústica incidente.
Para realizar esta medida se ha utilizado el método tubo de impedancia Kundt (figura
13).
Figura 13. Tubo de impedancia Kundt conectado al ordenador.
Los tubos de Kundt son sistemas para el estudio y obtención de las propiedades
acústicas de los materiales ensayados. Se lleva a cabo mediante el sistema Acupro de la
firma Spectronics, que es la implementación de las normas ISO 10534-2 y ASTM E
1050-98, que en ellas se describe el método de obtención de la impedancia y la
absorción de materiales empleando un tubo de impedancia y dos micrófonos [45, 46].
En general las principales aplicaciones del sistema son [47]:
Medida del coeficiente de absorción de materiales.
Medida de las pérdidas de transmisión.
Determinación de la resistividad al flujo.
Medidas de micrófonos en fase (intensidad sonora).
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Figura 14. Esquema del tubo de impedancia.
A continuación se van a describir los distintos pasos para obtener finalmente los
coeficientes de absorción acústica para las distintas muestras.
1. Se conecta el equipo de medida y el ordenador, como se observa en la figura 13,
y se enciende el programa Samurai.
2. Se introduce la muestra que se quiere medir en el extremo del tubo,
asegurándose de que queda perfectamente acoplada.
3. Antes de realizar medida, hay que calibra el equipo, esto se hace realizando las
medidas a partir del programa, una con los dos micrófonos bien colocados y otra
cambiándolo uno por otro.
4. Una vez calibrado, se vuelve a poner los micrófonos correctamente y se realiza
la medida (Tres veces para tener mayor exactitud).
5. Para obtener los resultados se utiliza el programa Acuproject, donde se observa
cómo se comporta la absorción acústica respecto a la frecuencia.
6. Finalmente los archivos se exportan a Excel como se observa en el apartado de
resultados y discusión.
3.2.5.2. Coeficiente de reducción de ruido
Esta medida se trata de solo un valor respecto a los coeficientes de absorción acústica.
Según la norma ASTM C 423-90 el coeficiente de reducción de ruido se define como la
media aritmética redondeada al múltiplo más próximo de 0,05 de los coeficientes de
absorción acústica, que se mide en las 4 frecuencias de centro de banda de un tercio de
octava, quedando definida en la siguiente fórmula [48]:
𝐍𝐑𝐂 = 𝛂𝟐𝟓𝟎+ 𝛂𝟓𝟎𝟎+ 𝛂𝟏𝟎𝟎𝟎+ 𝛂𝟐𝟎𝟎𝟎
𝟒 Ecuación [8]
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3.2.6. ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL
Para realizar el estudio del impacto ambiental se ha llevado a cabo una lixiviación.
La lixiviación es el proceso por el cual los componentes de un material sólido se liberan
en contacto con el agua, aunque algunas especies pueden ser de mayor o menor
problema ambiental que otros.
El proceso de lixiviación es indiscriminado, de tal manera que todos los componentes se
liberan bajo un conjunto común de fenómenos químicos, incluyendo disolución de
minerales, desorción y procesos complejos.
Se ha realizado un ensayo de lixiviación en tanque, en el que se ha recurrido a muestras
monolíticas que se sumergen por completo (flow around) en el fluido lixiviante, sin
agitación, y bajo condiciones semidinámicas, donde la solución lixiviante se reemplaza
por una nueva solución cada cierto tiempo, durante un periodo, que en el caso del NEN
7345 (Ensayo NEN, 1995), es de 64 días. El lixiviante utilizado ha sido agua acidificada
a pH 4 con ácido nítrico.
De acuerdo con la norma NEN 7345 la extracción se lleva a cabo en ocho etapas, a una
temperatura que puede variar entre 18 y 22 ºC. El primer cambio de fluido lixiviante se
produce a las 6 horas desde el inicio del ensayo, es decir, 0,25 días, el segundo al día
siguiente, y el resto a los 2,25; 4; 9; 16; 36 y 64 días. Después de cada etapa se vacía el
tanque y en el lixiviado se miden el pH y la conductividad.
El valor del pH es un índice de la alcalinidad de la muestra examinada y la
conductividad da información del contenido salino del lixiviado. Tras la medida de
estos parámetros, los lixiviados se preservan para determinar posteriormente las
concentraciones de los contaminantes.
Por último, se llena de nuevo el tanque con solución lixiviante fresca y se vuelve a
sumergir la muestra en la solución [49, 50].
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4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la tabla 7 se detalla la composición de las diferentes muestras que se han analizado
en este trabajo, así como la temperatura de fraguado.
MUESTRA CV (%) PAVAL (%) SOLUCIÓN
ACTIVADORA
TEMPERATURA
(ºC)
1 100 0 K2O/SiO2 1,45 40
2 75 25 K2O/SiO2 1,45 40
3 50 50 K2O/SiO2 1,45 40
4 50 50 K2O/SiO2 1,45 70
Tabla 7. Muestras utilizadas en el proyecto.
Se ha utilizado 14,1 gramos de solución activadora para cada 30 gramos de sólido.
4.1. ESTUDIO DE LA CINÉTICA
4.1.1. INFLUENCIA DE LA CANTIDAD DE PAVAL
En esta apartado se analizarán los resultados del estudio cinético, con tres tipos de
composición a la misma temperatura, en el caso de este trabajo, a 40ºC.
En la figura 15 se muestra el estudio de la cinética de generación de poros y de la
cinética de la reacción de geopolimerización.
La representación de la cinética de generación de poros se representa mediante el eje
vertical primario, utilizando el logaritmo de la evolución de la altura, considerando la
evolución de altura como la medida en el instante del tiempo en concreto entre la altura
inicial de la muestra o altura de la probeta, en nuestro caso de 40 mm.
La representación de la cinética de la reacción de geopolimerización se representa
mediante el eje vertical secundario, utilizando el porcentaje de fraguado (%), según la
norma EN 112 "Méthodes d'essai des ciments. Determination du temps de prise et de la
stabilité", que mide el tiempo de fraguado a partir de la penetración de la aguja de Vicat,
este porcentaje de fraguado se representa a partir de la parte de la muestra que la aguja
ya no es capaz de penetrar entre la longitud penetrada inicialmente (la altura de la
probeta), y esto multiplicado por el 100 %.
El eje horizontal se trata de la evolución del tiempo en minutos de las distintas medidas.
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Figura 15. Estudio cinético a distinta composición a 40ºC.
En el caso de la generación de poros (eje vertical primario) se observa que cuando el
geopolímero solo contiene ceniza volante no ocurre nada (la curva permanece
horizontal), es decir, no se produce generación de poros. En cambio, con la adicción de
paval la curva empieza a crecer, en el caso de 25 % de paval aumente un poco menos y
más lentamente que en el caso del 50 % de paval, esto es claramente debido a la mayor
proporción de paval dado el alto contenido de aluminio que contiene el paval, a partir
del cual se producen una serie de reacciones con distintos reactivos para la generación
de poros.
Algunas de las reacciones son las siguientes [39]:
Reacciones de aluminio con agua (Mohammadian et al., 2013):
2Al + 6H2O 2Al(OH)3 + 3H2
2Al + 4H2O 2AlO(OH)3 + 3H2
2Al + 3H2O Al2O3 + 3H2
Reacciones con hidróxidos alcalinos (Mufasa Al Bakri et al., 2011):
2Al +2KOH + 6H2O 2KAl(OH)4 + 3H2
2Al +2NaOH + 2H2O 2NaAlO2 + 3H2
Ambas son aplicables tanto para el hidróxido sódico como para el hidróxido de potasio.
Reacción con hidróxido de calcio (Khuarsingkaew et al., 2014):
2Al + 3Ca(OH)2 +6H2O 3CaO·Al2O3·6H2O + 3H2
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De estas reacciones se deduce que, en principio, las muestras con paval generan más H2
que aquellas que no contienen paval. Ese es el motivo por el cuál en este trabajo se ha
utilizado el paval, para mostrar el efecto que produce el aluminio.
En relación a la reacción de geopolimerización (eje vertical secundario) lo que se
representa es la velocidad de endurecimiento, que se obtiene como ya se ha explicado
anteriormente con el ensayo de la aguja del Vicat.
Como sucede con la generación de poros, la muestra que tarda más en fraguar es la de
composición 100 % de ceniza volante, es decir, sin ningún contenido de paval, llegando
a tardar unas 24 horas en endurecerse totalmente, mientras que al añadirle paval este
tiempo se disminuye considerablemente, con un 25 % tarda unas 12 horas, mientras que
con 50 % apenas seis horas.
Esto es debido a su contenido de aluminio, ya que es un producto acelerante, que
favorece la disolución de los constituyentes anhidros del geopolímero, su disolución o
su velocidad de hidratación; su acción no está del todo definida, aunque parece ser que
provocan una cristalización rápida de silicatos y aluminatos cálcicos en la pasta del
geopolímero hidratado.
Según un estudio de Silva y colaboradores [51], un aumento en el contenido de Al2O3,
es decir, una baja relación de SiO2 / Al2O3, condujo a productos de baja resistencia,
acompañado de microestructuras con mayores cantidades de Na-Al-Si que contiene
fases “masivas” (granos). Se observó, además que el tiempo de fraguado de los sistemas
de geopolímeros era principalmente controlado por el contenido de alúmina.
La cantidad de aluminio disponible para la reacción de geopolímero durante la síntesis
parece tener un efecto dominante en el control del ajuste de tiempo; en consecuencia,
aumentando la relación de SiO2 / Al2O3 lleva a tiempos de configuración más largos.
El aluminio juega un papel importante en la regulación del tiempo de fragmentación de
la formación del geopolímero, la cantidad de Si presente es responsable de un mayor
desarrollo posterior de las fuerzas de estos sistemas.
4.1.2. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA
En esta apartado se analizarán los resultados del estudio cinético, con muestras que
contienen una proporción de 50% de ceniza volante y 50% de paval, a diferentes
temperaturas, a 40ºC y a 70ºC.
En la figura 16 se muestra el estudio de la cinética de generación de poros y de la
cinética de la reacción de geopolimerización.
La representación de la cinética de generación de poros se representa mediante el eje
vertical primario, utilizando el logaritmo de la evolución de la altura, considerando la
evolución de altura como la medida en el instante del tiempo en concreto entre la altura
inicial de la muestra o altura de la probeta, en nuestro caso de 40 mm.
Página | 29
La representación de la cinética de la reacción de geopolimerización se representa
mediante el eje vertical secundario, utilizando el porcentaje de fraguado (%), que mide
el tiempo de fraguado a partir de la penetración de la aguja de Vicat, este porcentaje de
fraguado se representa a partir de la parte de la muestra que la aguja ya no es capaz de
penetrar entre la longitud penetrada inicialmente (la altura de la probeta), y esto
multiplicado por el 100 %.
El eje horizontal se trata de la evolución del tiempo en minutos de las distintas medidas.
Figura 16. Estudio cinético a distinta temperatura.
La incidencia de la temperatura está ligada a un aumento sustancial en la cinética de
cualquier reacción, por lo tanto con un aumento de temperatura se espera que el
desarrollo del fraguado para el caso de la activación alcalina sea muy rápido.
Estos aumentos progresivos son muy eficaces en las primeras etapas de la reacción, lo
que garantiza un impulso térmico para el desarrollo de la reacción.
Algunos investigadores reportan que los curados entre 4 y 48 horas es una de las
condiciones de síntesis más importantes en la activación alcalina de cenizas de carbón,
encontrando que la temperatura que da mejores resistencias oscila alrededor de 60 ºC.
En cambio, cuando el sistema es curado a una temperatura superior las muestras pierden
mayor humedad y adicionalmente se produce una mayor cantidad de agrietamiento [52].
En la figura 16 se observa, en la generación de poros, que a mayor temperatura la
muestra tiene una mayor cinética de generación de poros.
A igualdad de paval se genera la misma cantidad de H2 (independientemente de la
temperatura) pero al aumentar la temperatura el endurecimiento se incrementa,
permitiendo que un mayor número de burbujas de H2 queden atrapadas y aumente la
porosidad.
0
20
40
60
80
100
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 100 200 300 400 500 600 Set
tin
g p
erce
nta
ge
( %
)
Ln
( E
V )
Tiempo ( min )
CV50PV50-T40-Set
CV50PV50-T70-Set
CV50PV50-T40-EV
CV50PV50-T70-EV
Página | 30
En cuanto a la cinética de la reacción de geopolimerización se observa que a mayor
temperatura la muestra fragua más rápidamente.
Esto es debido a la gran influencia que tiene la temperatura sobre la velocidad de
reacción como se ha mencionado anteriormente, mientras que a temperatura ambiente
ocurre más lento, con una diferencia significativa.
4.2. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS
4.2.1. DETERMINACIÓN DE LA POROSIDAD ABIERTA
4.2.1.1. Influencia de la cantidad de paval
La figura 17 muestra los resultados de porosidad abierta de las tres composiciones
estudiadas para una temperatura de 40 ºC. Para ello se han analizado dos muestras de
cada composición y se ha hecho la media.
Figura 17. Porosidad abierta media (%) a distinta composición a 40ºC.
Como se observa en la figura 17 al adicionarle a la mezcla, de ceniza volante y paval,
más proporción de paval, esto conlleva un aumento de la porosidad abierta, es decir un
aumento en el volumen ocupado por los huecos.
Estos resultados se relacionan con los mostrados en la figura 15, dado que las muestras
obtienen mayor altura debido al mayor volumen de huecos formados ya que
inicialmente todas las muestras tenían la misma cantidad y altura, esta diferencia de
porosidad se debe a la mayor proporción de aluminio debido al paval como ya se
mencionó en el apartado de ña influencia de la cantidad de paval en el estudio de la
cinética.
0
4
8
12
16
20
24
PA
( %
)
CV100 CV75PV25 CV50PV50
Página | 31
Comparándolo con otros proyectos, con muestras de escoria de alto horno y humo de
sílice, se tiene que las muestras realizadas en proyecto mencionado tiene mucha mejor
porosidad abierta con composiciones de 50% de BFS y 50 % de HS a temperatura
ambiente, teniendo alrededor del 30 % de porosidad abierta, es decir, más que el doble
de nuestra muestra con mayor proporción de paval [53].
En el mismo proyecto mencionado en el párrafo anterior, también se estudia otro tipo de
composición, similar a la de este proyecto, se trata de ceniza volante y humo de sílice,
en este caso en comparación con CV-Paval se tiene que con el humo de sílice se obtiene
una mayor porosidad, eso quiere decir que el humo de sílice respecto al paval es mejor
formador de poros.
Figura 18. Muestras de distinta composición e igual temperatura.CV75PV25-
CV100-CV50PV50.
4.2.1.2. Influencia de la temperatura
La figura 19 muestra los resultados de porosidad abierta a través de la composición con
una proporción de 50 % de ceniza volante y 50 % de paval, pero a temperatura de 40 ºC
y 70ºC.
Para ello se han analizado dos muestras de cada temperatura y se ha hecho la media.
Figura 19. Porosidad abierta media (%) a distinta temperatura.
0
4
8
12
16
20
24
PA
( %
)
CV50PV50-T40 CV50PV50-T70
Página | 32
En la figura 19 se observa que el incremento de temperatura tiene mucha importancia en
la generación de huecos, dado que da una porosidad 10 % mayor respecto a la de
temperatura menos. Fijándonos en la figura 16 se observa la gran importancia en la
temperatura con el aumento de la velocidad de fraguado, que hace que se formen
grandes huecos y esto conlleve a una mayor porosidad como se sucede en este caso.
Figura 20. Muestras a misma composición de 70ºC y 40ºC respectivamente.
4.2.2. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD APARENTE
4.2.2.1. Influencia de la cantidad de paval
La figura 21 muestra los resultados de densidad aparente de las tres composiciones
estudiadas para una temperatura de 40 ºC. Para ellos se han analizado dos muestras de
cada composición y se ha hecho la media.
Figura 21. Densidad aparente media (kg/m
3) a distinta composición a 40ºC.
0
400
800
1200
1600
2000
ρ (
kg
/m3
)
CV100 CV75PV25 CV50PV50
Página | 33
En la figura 21 se muestra que a menor proporción de paval, la muestra tiene una mayor
densidad aparente, esto concuerda con los datos obtenidos de la porosidad abierta
mostrada en la figura 17, dado que mayor densidad aparente significa menor volumen
ocupado de huecos, ya que con la densidad aparente estamos midiendo en el peso seco
respecto al volumen total de la muestra, es decir, una muestra con alta porosidad abierta
tendrá una baja densidad aparente como ocurre en la composición con mayor
proporción de paval.
Comparándolo con la muestras de escorias de alto horno y humo de sílice, en este caso,
no hay una gran diferencia, aunque tiene un resultado más positivo con escoria de alto
horno, llegando a tener en la composición de 50-50 una densidad aparente de 2000
kg/m3 [53].
Respecto a las muestra del mismo proyecto de ceniza volante y humo de sílice se
obtiene similares resultados de densidad aparente media, utilizándose la misma
temperatura y agente activador, entonces se deduce que el cambio de paval a humo de
sílice en esta propiedad no afecta considerablemente.
4.2.2.2. Influencia de la temperatura
La figura 22 muestra los resultados de densidad aparente a través de la composición con
una proporción de 50 % de ceniza volante y 50 % de paval, pero a temperatura de 40 ºC
y 70ºC.
Para ello se han analizado dos muestras de cada temperatura y se ha hecho la media.
Figura 22. Densidad aparente media (kg/m
3) a distinta temperatura.
En la figura 22 se observa el resultado inverso al obtenido con la porosidad abierta
(figura 19), como se esperaba, es decir, que a mayor temperatura de fraguado de la
muestra tengo menor densidad aparente debido al mayor volumen de huecos formados.
Eso quiere decir que si estamos interesado es conseguir una muestra con alta densidad
aparente conviene trabajar con temperaturas bajas.
0
400
800
1200
1600
ρ (
kg
/m3
)
CV50PV50-T40 CV50PV50-T70
Página | 34
4.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
4.3.1. DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN
4.3.1.1. Influencia de la cantidad de paval
La figura 23 muestra los resultados de la resistencia a compresión de las tres
composiciones estudiadas para una temperatura de 40 ºC.
Para ellos se han analizado dos muestras de cada composición y se ha hecho la media.
Figura 23. Resistencia a compresión media (MPa) a distinta composición a 40ºC.
A partir de la figura 23 se observa que a menor cantidad de Paval la muestra tiene una
mayor resistencia a compresión, es algo que es obvio observando los apartados
anteriores. Comparándolo con la figura 21 la muestra con solo ceniza volantes es la que
tiene mayor densidad aparente que conlleva tener mayor resistencia y luego en la figura
17 la muestra que solo contiene ceniza volantes es la que tiene menor porosidad abierta.
Los datos obtenidos concuerdan con lo que era razonable de pensar, pues un material
muy poroso es menos resistente.
En el caso de resistencia a compresión en comparación con la escoria de alto horno y
humo de sílice se tiene que solo con el BFS se tiene mucha mayor resistencia que en
nuestro caso base, es decir, solo ceniza volante, teniendo una resistencia a compresión
media de casi 60 MPa con el 100 % de BFS, cuando se le añade humo de sílice se
reduce considerablemente la resistencia, acercándose más a las de este proyecto, aunque
son algo mayores [53].
0
2
4
6
8
10
12
14
Rc
( M
pa
)
CV100 CV75PV25 CV50PV50
Página | 35
Comparándolo en el caso de humo de sílice en vez de paval, la muestra con HS tiene
una mayor resistencia a compresión, eso quiere decir, que el humo de sílice se puede
considerar una materia prima más resistente que el paval, aunque el objetivo de nuestro
proyecto es la acústica que veremos más adelante.
4.3.1.2. Influencia de la temperatura
La figura 24 muestra los resultados de la resistencia a compresión a través de la
composición con una proporción de 50 % de ceniza volante y 50 % de paval, pero a
temperatura de 40 ºC y 70ºC.
Para ello se han analizado dos muestras de cada temperatura y se ha hecho la media.
Figura 24. Resistencia a compresión media (MPa) a distinta temperatura.
A partir de la figura 24 concluimos que la resistencia a compresión empeora con el
aumento de la temperatura, algo razonable ya que la muestra con la que se trabaja a
mayor temperatura tiene mayor porosidad abierta como se observa en la figura 19 y con
una menor densidad aparente (figura 22).
4.4. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES ACÚSTICAS
4.4.1. COEFICIENTE DE ABSORCIÓN ACÚSTICA Y NRC
4.4.1.1. Influencia de la cantidad de Paval
La figura 25 muestra los resultados del coeficiente de absorción acústica de las tres
composiciones estudiadas para una temperatura de 40 ºC.
Para ellos se han analizado dos muestras de cada composición y se ha hecho la media.
0
2
4
6
8
10
12
14
Rc
( M
pa
)
CV50PV50-T40 CV50PV50-T70
Página | 36
Figura 25. Coeficiente de absorción acústica a distinta composición a 40ºC.
La figura 26 muestra los resultados del coeficiente de reducción de ruido de las tres
composiciones estudiadas para una temperatura de 40 ºC.
Para ellos se han analizado dos muestras de cada composición y se ha hecho la media.
Figura 26. NRC a distinta composición a 40ºC.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0 1000 2000 3000 4000 5000
Ab
sorc
ión
acú
stic
a (
α )
Frecuencia ( Hz )
CV50PV50
CV100
CV75PV25
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
NR
C
CV100 CV75PV25 CV50PV50
Página | 37
En la figura 25 y 26 se muestran los resultados obtenidos del estudio acústico con el
tubo de Kundt, a partir de estas dos figuras se deduce que la muestra con más Paval
tiene mejores propiedades acústicas y que son las composiciones con mayor porosidad
abierta, es decir, al tener un mayor volumen ocupado de huecos se absorbe mejor el
ruido, una hipótesis que se tenía antes de realizar ese estudio ya que anteriormente
obtuvimos los resultados de porosidad abierta de manera ascendente con la proporción
de Paval al igual que ocurre en el estudio acústico.
Esta explicación tiene sentido teniendo en cuenta que el fenómeno de absorción acústica
está relacionado con la disipación de energía sonora por fricción con las paredes de los
huecos del material, estructuras menos porosas presentarán peores propiedades de
absorción acústica, lo que concuerda con los resultados obtenidos en porosidad abierta.
Comparándolo con otro proyecto, en concreto con muestras de ceniza volante y humo
de sílice, se tiene que las muestras con paval son muchos más eficientes en l absorción
de ruido respecto a las de CV-HS, ya que con una composición con un 40 % de humo
de sílice llega a un máximo de 0,3 de α, y si observamos la figura 25 en la muestra 3, se
observa que llega hasta un valor de α de 0,44. Entonces podemos concluir que las
composiciones CV-Paval son mejores absorbentes acústicos [53].
4.4.1.2. Influencia de la temperatura
La figura 27 muestra los resultados del coeficiente de absorción acústica a través de la
composición con una proporción de 50 % de ceniza volante y 50 % de paval, pero a
temperatura de 40 ºC y 70ºC.
Para ello se han analizado dos muestras de cada temperatura y se ha hecho la media.
Figura 27. Coeficiente de absorción acústica a distinta temperatura.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0 1000 2000 3000 4000 5000
Ab
sorc
ión
acú
stic
a (
α )
Frecuencia ( Hz )
CV50PV50-T40
CV50PV50-T70
Página | 38
La figura 28 muestra los resultados del coeficiente de reducción de ruido a través de la
composición con una proporción de 50 % de ceniza volante y 50 % de paval, pero a
temperatura de 40 ºC y 70ºC.
Para ello se han analizado dos muestras de cada temperatura y se ha hecho la media.
Figura 28. NRC a distinta temperatura.
En la figura 27 se puede observar que la diferencia de absorción acústica es solo en frecuencias menores de 2000 Hz y que en frecuencias superiores tienes la misma absorción acústica.
A partir de la figura 27 se puede deducir que la diferencia de NRC en la figura 28 se
debe a los valores de baja frecuencia del coeficiente de reducción de ruido.
Si nos fijamos en la figura 19 la porosidad abierta se ve favorecida por el aumento de
temperatura, es decir, al tener más huecos o mayor volumen de huecos la muestra
elimina mejor el ruido, dado que se va perdiendo por el choque entre los huecos
formados de la muestra.
4.5. ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL
Para el estudio ambiental se ha realizado un ensayo de lixiviación de las muestras
preparadas.
En la Tabla 8 se muestran los resultados en concentración acumulada (mg/m2) de los
metales analizados en los lixiviados. En la última columna están los límites propuestos
por el Decreto de calidad de suelo holandés, con los que se puede comparar para ver si
cumple o no la normativa.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
NR
C
CV50PV50-T40 CV50PV50-T70
Página | 39
Concentración acumulada (mg/m2) Límites
DSQ
CV100-T40 CV75-
PAV25-T40
CV50-
PAV50-T40
CV50-
PAV50-T70
mg/m2
As 7,145 3,927 2,830 2,059 260
Ba 2,082 0,302 <0,139 <0,137 1500
Cd <0,139 <0,137 <0,139 <0,137 3,8
Co 0,167 <0,137 <0,139 <0,137 60
Cr 0,583 1,455 3,052 3,975 120
Cu 0,222 1,043 4,717 5,245 98
Mo 3,831 4,476 6,465 6,261 144
Ni 0,416 <0,137 <0,139 <0,1373 81
Pb 0,500 <0,137 <0,139 <0,1373 400
Sb 0,638 0,739 0,905 1,018 8,7
Se 5,579 5,284 5,050 5,119 4,8
Sn <0,139 <0,137 <0,139 <0,137 50
V 54,02 36,47 31,43 31,86 320
Zn 1,152 <0,687 <0,694 <0,687 800
Tabla 8. Resultados del ensayo NEN 7375 de lixiviación.
Se observa que al añadirle a las muestras menos cantidad de ceniza volante se cumple el
decreto ambiental más claramente en casi todos los casos, entonces añadirle proporción
de paval favorece en todos los sentidos en el objetivo de este proyecto.
Hay que tener en cuenta que el selenio supera un poco el límite permitido y habría que
realizar algún procedimiento para disminuirlo de la muestra, en todos los demás
aspectos cumple perfectamente.
Se puede observar una gran diferencia en el vanadio, con un cambio de 54 a 36, eso
quiere decir que la ceniza volante es la que tiene principalmente vanadio. Con el
arsénico también se observa que aparece debido a la ceniza volante con un cambio de 7
a 3. Al igual que el bario con un cambio de 2 a 0,3 de pasar solo a ceniza volante a
ceniza volante y paval.
Si se observa el cromo, al añadirle paval aumenta su proporción significativamente,
entonces se puede concluir que el paval es el material que contiene el cromo. El cobre
tiene un aumento de 0,2 a 5 con la adicción de paval, entonces se concluye que la
cantidad de cobre aparece principalmente por la presencia de paval. Por último se ha
observado en el molibdeno con un cambio de 3 a 6 con la adicción de paval entonces el
paval es el material que hace que sea importante la proporción de molibdeno.
Página | 40
5. CONCLUSIONES
En este proyecto se han fabricado con éxito geopolímeros a partir de un subproducto
industrial como es el paval como agente formador de poros, mezclando éste con otro
subproducto industrial como es la ceniza volante (CV) y usando una solución activadora
alcalina (KSil KOH) para la fabricación de los geopolímeros.
Se ha estudiado la influencia de la adicción de paval sobre geopolímeros basados en
ceniza volante, así como la variación de sus propiedades al alterar las temperaturas de
curado.
Los resultados obtenidos hacen llegar a la conclusión que un aumento en la cantidad de
paval provoca en general un aumento en la porosidad abierta y en consecuencia una
disminución de la densidad aparente y la resistencia a compresión, siguiendo la
tendencia lógica a que cuanto más poroso sea el material su resistencia a compresión se
ve reducida, así como un mejor comportamiento de absorción acústica ya que está
relacionada con la disipación de energía sonora por fricción con las paredes de los
huecos del material, ese decir, estructuras más porosas presentarán mejores propiedades
de absorción acústica..
En cuanto a la influencia de la temperatura de curado en las muestras de ceniza volante
y paval, se observa que sigue la misma tendencia lógica que con la adicción de paval, es
decir, al aumentar la temperatura de curado se ha obtenido un material más poroso y
menos resistente a compresión, con una mejoría en la absorción acústica por el mismo
motivo que se menciona en el párrafo anterior.
Respecto a las propiedades acústicas se puede decir, observando el material con mayor
proporción de paval y mayor temperatura de curado, que en general los valores de los
coeficientes de absorción acústica no son demasiados altos, pero tampoco podríamos
decir que son bajos, por lo consiguiente decimos que este material tiene una buena
absorción acústica.
Página | 41
6. ANEXO
6.1. ESTUDIO DE LA CINÉTICA
6.1.1. GENERACIÓN DE POROS
CV100 T=40ºC
Altura (mm) Tiempo (min)
40 0
40 29
40 48
40 68
40 108
40 145
40 196
40 222
40 255
40 290
40 313
40 342
40 365
40 397
40 1178
40 1220
Tabla 9. Evolución de generación de poros para CV100 a T=40ºC.
Página | 42
CV75-PAV25 T=40ºC
Altura (mm) Tiempo (min)
40 0
50 27
54 52
62 77
67 102
69 137
70 162
72 187
74 212
75 242
75 277
75 307
75 347
75 377
75 412
75 452
75 482
75 497
75 522
75 537
75 557
75 587
75 687
75 712
75 757
75 777
75 797
75 817
75 837
Tabla 10. Evolución de generación de poros para CV75-PAV25 a T=40ºC.
Página | 43
CV50-PAV50 T=40ºC
Altura (mm) Tiempo (min)
40 0
53 18
70 40
78 63
82 103
82 123
82 215
82 235
82 255
82 275
82 295
82 315
82 335
82 360
82 380
82 400
82 420
82 455
82 475
82 495
Tabla 11. Evolución de generación de poros para CV50-PAV50 a T=40ºC.
CV50-PAV50 T=70ºC
Altura (mm) Tiempo (min)
40 0
55 15
79 30
85 41
88 51
89 62
89 89
89 115
89 124
Tabla 12. Evolución de generación de poros para CV50-PAV50 a T=70ºC.
Página | 44
6.1.2. REACCIÓN DE GEOPOLIMERIZACIÓN
CV100 T=40ºC
Endurecimiento (mm) Tiempo (min)
0 0
0 60
0 120
0 180
0 360
0 420
0 600
0 680
0 800
0 840
0 900
10 980
20 1178
40 1220
40 1240
40 1300
Tabla 13. Evolución de reacción de geopolimerización para CV100 a T=40ºC.
Página | 45
CV75-PAV25 T=40ºC
Endurecimiento (mm) Tiempo (min)
0 0
0 27
0 52
0 77
0 102
0 137
0 162
0 187
0 212
0 242
0 277
0 307
0 347
0 377
0 412
0 452
0 482
0 497
1 522
3 537
4 557
6 587
13 687
25 712
30 757
36 777
40 797
40 817
40 837
Tabla 14. Evolución de reacción de geopolimerización para CV75-PAV25 a
T=40ºC.
Página | 46
CV50-PAV50 T=40ºC
Endurecimiento (mm) Tiempo (min)
0 0
0 25
0 65
0 95
0 150
0 175
0 195
0 215
0 235
8 255
12 275
17 295
20 315
22 335
27 360
29 380
33 400
36 420
40 455
40 475
40 495
Tabla 15. Evolución de reacción de geopolimerización para CV50-PAV50 a
T=40ºC.
CV50-PAV50 T=70ºC
Endurecimiento (mm) Tiempo (min)
0 0
0 10
0 17
0 32
0 39
0 44
0 63
0 71
8 89
13 99
15 105
20 114
24 119
29 124
31 130
36 135
40 141
40 147
40 156
Tabla 16. Evolución de reacción de geopolimerización para CV50-PAV50 a
T=70ºC.
Página | 47
6.2. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS
6.2.1 DETERMINACIÓN DE LA POROSIDAD ABIERTA
Porosidad
abierta
CV100
T=40ºC
Exp 1 8,33
Exp 2 10
Media 9,16
CV75
PAV25
T=40ºC
Exp 1 9,95
Exp 2 10,09
Media 10,01
CV50
PAV50
T=40ºC
Exp 1 11,69
Exp 2 11,99
Media 11,84
CV50
PAV50
T=70ºC
Exp 1 19,89
Exp 2 23,98
Media 21,93
Tabla 17. Datos obtenidos de porosidad abierta para las distintas composiciones a
cada temperatura.
6.2.2 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD APARENTE
Peso seco (g) Volumen
(cm3)
Densidad
aparente
(kg/m3)
CV100
T=40ºC
Exp 1 49,2 30 1640
Exp 2 - - -
Media - - 1640
CV75
PAV25
T=40ºC
Exp 1 37 30,15 1227
Exp 2 37,2 29,75 1250
Media - - 1238
CV50
PAV50
T=40ºC
Exp 1 40 34,21 1169
Exp 2 31,5 33,35 944
Media - - 1056
CV50
PAV50
T=70ºC
Exp 1 28,7 30,36 945
Exp 2 29,8 33,35 893
Media - - 919
Tabla 18. Datos obtenidos de densidad aparente para las distintas composiciones a
cada temperatura.
Página | 48
6.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
6.3.1 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN
Resistencia a
compresión
(Mpa)
CV100
T=40ºC
Exp 1 14,76
Exp 2 9,31
Media 12,03
CV75
PAV25
T=40ºC
Exp 1 4,98
Exp 2 5,32
Media 5,15
CV50
PAV50
T=40ºC
Exp 1 2,61
Exp 2 4,23
Media 3,42
CV50
PAV50
T=70ºC
Exp 1 3,08
Exp 2 3,05
Media 3,07
Tabla 19. Datos obtenidos de resistencia a compresión para las distintas
composiciones a cada temperatura.
Página | 49
6.4. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES ACÚSTICAS
6.4.1 DETERMINACIÓN DE LA ABSORCIÓN ACÚSTICA
CV100
T=40ºC
CV75-PAV25
T=40ºC
CV50-PAV50
T=40ºC
CV50-PAV50
T=70ºC
Frecuencia
(Hz)
Absorción
acústica (α)
Absorción
acústica (α)
Absorción
acústica (α)
Absorción
acústica (α)
100 0,0000 0,0814 0,0000 0,1490
125 0,0143 0,1128 0,0000 0,1809
160 0,0602 0,1396 0,0529 0,2380
200 0,0938 0,1477 0,1069 0,2709
250 0,1131 0,1571 0,1451 0,2937
315 0,1330 0,1791 0,1810 0,3179
400 0,1568 0,1978 0,2167 0,3410
500 0,1802 0,2166 0,2456 0,3579
630 0,1971 0,2240 0,2723 0,3768
800 0,1815 0,2491 0,2824 0,3934
1000 0,1674 0,2580 0,2840 0,4133
1250 0,1427 0,2697 0,2740 0,4075
1600 0,1280 0,2873 0,2885 0,3560
2000 0,1302 0,2531 0,3029 0,3202
2500 0,1320 0,2365 0,3184 0,3074
3150 0,1190 0,2284 0,3299 0,3266
4000 0,1206 0,2699 0,4033 0,3613
5000 0,2018 0,3466 0,4381 0,4580
Tabla 20. Datos obtenidos de absorción acústica para frecuencias en tercio de
octava para las distintas composiciones a cada temperatura.
6.4.2 DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE REDUCCIÓN DE RUIDO
NRC
CV100 T=40ºC 0,148
CV75-PAV25 T=40ºC 0,221
CV50-PAV50 T=40ºC 0,244
CV50-PAV50 T=70ºC 0,343
Tabla 21. Datos obtenidos de coeficiente de reducción de ruido para las distintas
composiciones a cada temperatura.
Página | 50
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