Evolución de la reacción y estructura del sistema portlandita - ceniza volante de carbón activado alcalinamente

Abstract

La búsqueda de alternativas cementicias al cemento Pórtlandordinario (OPC– por sus iglas en inglés) por parte de la industria de la construcción y la comunidad científica, se ha incrementado teniendo en cuenta los controles que existen para que la fabricación de los materiales sea cada vez menos agresiva con el medio ambiente. Los estudios de los cementos activados alcalinamente han demostrado que son buenos candidatos para reducir las emisiones de CO2 y consumo energético en la industria cementera. Sin embargo, todavía existen interrogantes en torno a su conformación y relación con el comportamiento mecánico, haciendo muy atractivo su estudio para el desarrollo de una tesis doctoral. Aunque las líneas de investigación para atacar el problema del impacto ambiental son numerosas, se ve prudente ir remplazando parcialmente el OPC por otro cementante y evitar cambios tecnológicos impensables Se hace necesario entonces, verificar que tipos de cementos son compatibles con el OPC y así generar un cemento híbrido. La mezcla de un cemento activado alcalinamente (AAC– por sus siglas en inglés) con hidróxido de sodio base ceniza volante de carbón y el cemento Pórtland, es un claro ejemplo de que las fases principales producidas por los dos cementos coexisten. Es decir, el gel NASH (aluminosilicato de sodio hidratado) para AAC y el gel CSH (silicato de calcio hidratado) para el cemento Pórtland. Pero en la hidratación del OPC se generan otras fases, como la portlandita, donde no se ha determinado a cabalidad el efecto de su presencia sobre la activación alcalina con hidróxido de sodio de ceniza volante de carbón. En esta tesis se utilizaron diferentes cantidades de hidróxido de calcio e hidróxido de sodio, para determinar cuáles cambios en el grado de reacción, estructura y resistencia a compresión se observan en el producto resultado de la activación alcalina de ceniza volante de carbón curado a 25, 35 y 45 °C. A lo largo de esta tesis el termino estructura, a menos que se indique lo contrario, hace referencia a la estructura molecular y la configuración atómica de los productos de reacción con características cementantes. El diseño experimental utilizado para determinar si existían o no variaciones, se basó en una superficie de respuesta con los hidróxidos como factores de estudio. Se evaluó las modificaciones en la energía liberada, estructura molecular y su correlación con la resistencia a compresión. Las principales técnicas de caracterización utilizadas fueron micro calorimetría y espectroscopia infrarroja. Adicionalmente se utilizaron técnicas como termo gravimetría, resonancia magnética nuclear, microscopía electrónica de barrido, difracción de rayos x y ensayos mecánicos en la caracterización de las materias primas y cementantes obtenidos. Las variaciones en el flujo de calor mostraron que el hidróxido de calcio o portadita afectó todos los procesos de la activación alcalina, empezando por la formación de los constituyentes químicos, su organización y el crecimiento de los productos de reacción. Su presencia inicialmente, logró que la relación silicio aluminio aumente, ya que atrapa el luminio antes de su disolución. Durante la organización e las unidades disueltas, la portlandita ungió como puntos de nucleación haciendo que la misma sea de carácter heterogéneo, eneficiando el crecimiento de los geles. En este punto la cantidad de a ctivador fue crucial , ya que debe garantizar un flujo continuo de constituyentes químicos hacia los sitios de formación de los productos de reacción. A medida que se desarrolla la activación alcalina se hizo indispensable un aumento de la emperatura para superar las barrearas energéticas y controlar la ralentización de las reacciones. Una vez se dio inicio a la activación alcalina, la estructura molecular inicial de la ceniza volante de carbón se transforma gracias a la presencia de los hidróxidos. Primero se formó un gel CS H, con presencia de aluminio, el cual se ubica alrededor de la ceniza que se está disolviendo. A partir de este primer gel se form ó el gel NAS H, con presencia de calcio, constituyéndose entre los espacios existentes de las capas del gel que recubre las cenizas en disolución. La reorganización estructural incidió directamente sobre la resistencia a compresión del material cementante. Dos mecanismos intervienen en la generación de las propiedades mecánicas. El primero, a edades tempranas en función de la activación alcalina. El segundo, a edades tardías, en función de reacciones de tipo puzolánico

Abstract: The search for alternatives cement to Ordinary Portland Cement (OPC) by the construction industry and the scientific community has increased taking into account the regulations that exist so that the manufacture of materials well be less aggressive with the environment ambient. Studies of Alkali-Activated Cements (AAC) have shown that they are good candidates for reducing CO2 emissions and energy consumption in the cement industry. However, there are still questions about its conformation and relationship with mechanical behavior. Making its study very attractive for the development of a doctoral thesis. It is necessary to verify which types of cements are compatible with the OPC and thus generate a hybrid cement. The mixture of an AAC and OPC is a clear example that the main phases produced by the two cements coexist. But in OPC hydration, other phases are generated, such as portlandite, where the effect of its presence on the alkaline activation with sodium hydroxide of coal fly ash is inconclusive. In this thesis, different amounts of calcium hydroxide and sodium hydroxide were used to determine which changes in the degree of reaction, structure and compressive strength are observed in the product resulting from the alkaline activation of coal fly ash cured at 25, 35 and 45 ° C. Variations in heat flow showed that calcium hydroxide affected all processes of alkaline activation, starting with the formation of chemical constituents, their organization and the growth of reaction products. Once the alkaline activation began, the initial molecular structure of the coal fly ash is transformed by the presence of the hydroxides, directly affecting the compressive strength of the cementing material. Two mechanisms intervene in the generation of mechanical properties. The first, at an early age in function of alkaline activation. The second, at later ages, based on pozzolanic reactions. This thesis makes a significant contribution to the understanding of the effect of the presence of portlandite on alkaline activation with sodium hydroxide from coal fly ash. The understanding of the effects in each of the stages of the reaction mechanism provides an important step for the growth in the knowledge of alkaline activated cements and provides conceptual and practical tools for future research.