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Álvarez Mantilla, Ríos Reyes & Castellanos Alarcón / INGE CUC, vol. 17 no. 1, pp. 216–229. Enero - Junio, 2021

Propiedades fisicomecánicas, desempeño y durabilidad de morteros geopoliméricos a base de puzolana natural tipo piedra pómez

Physicomechanical properties, performance and durability of Colombian natural puzzolan of pumice-type based geopolymer mortars

DOI: http://doi.org/10.17981/ingecuc.17.1.2021.17

Artículo de Investigación Científica. Fecha de Recepción: 24/10/2020. Fecha de Aceptación: 18/11/2020.

Hernando Álvarez Mantilla

Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga (Colombia)

hmantilla@gmail.com

Carlos Alberto Ríos Reyes

Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga (Colombia)

carios@uis.edu.co

Oscar Mauricio Castellanos Alarcón

Universidad de Pamplona. Villa del Rosario (Colombia)

oscarmca@yahoo.es

Para citar este artículo:

H. Álvarez Mantilla, C. Ríos Reyes & O. Castellanos Alarcón, “Propiedades fisicomecánicas, desempeño y durabilidad de morteros geopoliméricos a base de puzolana natural tipo piedra pómez”, INGECUC, vol. 17. no. 1, pp. 216–228. DOI: http://doi.org/10.17981/ingecuc.17.1.2021.17

Resumen

Introducción— En los últimos años, los investigadores han estado evaluando el uso potencial de una amplia gama de materias primas en la producción de geopolímeros. Este trabajo reporta la conveniencia de utilizar una puzolana natural tipo piedra pómez de Paipa (Colombia) como material de sustitución del cemento (100% de puzolana) en la producción de morteros geopoliméricos.

Objetivo— El objetivo de esta investigación se enfoca en el uso de la piedra pómez como materia prima en la producción de cementos geopoliméricos con el fin de establecer su comportamiento mecánico y durabilidad.

Metodología— Se utilizaron cemento Portland tipo I, puzolana natural y arena como materiales de partida en la preparación de morteros geopoliméricos a partir de la activación alcalina de puzolana natural. Los morteros geopoliméricos fueron preparados y ensayados según las normas del Instituto Colombiano de Normas Técnicas e Instituto Nacional de Vías.

Resultados— Los ensayos en geopolímeros ofrecen resultados alentadores y muestran un buen potencial en la preparación de cemento con puzolana exhibiendo una adecuada durabilidad y resistencia a la compresión relativamente alta a los 28 días para ser aceptado en el desarrollo de nuevos materiales cementantes.

Conclusiones— El uso de puzolana natural en la producción de geopolímeros se vuelve importante por su papel en la durabilidad del mortero en condiciones ambientales extremas y agresivas.

Palabras clave— Geopolímeros; piedra pómez; puzolana natural; cemento; morteros

Abstract

Introduction— In recent years, researchers have been evaluating the potential use of a wide range of raw materials in the production of geopolymers. This paper reports the convenience of using a natural puzzolan of pumice type from Paipa (Colombia) as a substitute material for cement (100% puzzolan) in the production of geopolymeric mortars.

Objective— The objective of this research focuses on the use of pumice stone as raw material in the production of geopolymeric cements in order to establish its mechanical behavior and durability.

Method— Type I Portland cement, natural puzzolan and sand were used as starting materials in the preparation of geopolymeric mortars from the alkaline activation of natural puzzolan. The geopolymeric mortars were prepared and tested according to the standards of the Colombian Institute of Technical Standards and the National Institute of Roads.

Results— The tests in geopolymers offer encouraging results and show a good potential in the preparation of cement with puzzolan exhibiting an adequate durability and resistance to relatively high compression at 28 days to be accepted in the development of new cementitious materials.

Conclusions— The use of natural puzzolan in the production of geopolymers becomes important for its role in the durability of the mortar under extreme and aggressive environmental conditions.

Keywords— Geopolymers; pumice; natural puzzolan; cement; mortars

I. Introducción

El cemento Portland tipo I es uno de los materiales más utilizados en la industria de la construcción para la producción de concreto, especialmente en los países en desarrollo, gracias a sus excelentes propiedades mecánicas en estado endurecido, costo relativamente bajo y versatilidad [1]. A nivel mundial se producen anualmente billones de toneladas de Cemento Portland Ordinario (CPO) [2], cifra que se espera aumente como consecuencia del crecimiento poblacional y desarrollo socioeconómico. Sin embargo, la industria cementera es también una de las más contaminantes, ya que explota recursos naturales y emite grandes volúmenes de gases contaminantes (CO2, SO2 y NOx) [3]. Las emisiones de CO2 están asociadas a la descarbonatación de la caliza en el horno de clinkerización [4]. La industria cementera promueve la búsqueda de soluciones para la conservación y protección de los recursos no renovables mediante el desarrollo de materiales cementantes que precisen de un menor consumo de energía en su formación, degraden menos el medioambiente y emitan menos gases contaminantes a la atmosfera, como parte del marco de las políticas de sostenibilidad de los diferentes acuerdos internacionales. Diferentes aglutinantes inorgánicos como materiales alternativos al cemento Portland han sido utilizados en estudios anteriores debido a razones ambientales, económicas y técnicas [3], [5]-[8]. En los últimos años, muchos trabajos de investigación se han llevado a cabo para determinar la posibilidad de utilizar residuos industriales tales como escorias cristalizadas de alto horno [9]-[11], cenizas volantes [12]-[16], cenizas de incineradora [17], residuos de reciclado de aluminio [18]-[19], cenizas de papeleras [20], residuos cerámicos [4], [21] y residuos mineros [22]-[24], así como materiales geológicos [25]-[29], como materiales alternativos en la fabricación de materiales cementantes, lo cual se ha convertido en un medio muy efectivo para alcanzar, en gran parte, dicho desarrollo sostenible. Por otra parte, la piedra pómez encontrada en regiones volcánicas es otro tipo de puzolana que está recibiendo atención en la producción de cementos geopoliméricos [30]. El uso de puzolanas naturales como la piedra pómez puede generar grandes beneficios en términos de las propiedades mecánicas y de durabilidad de los morteros [6]. Sin embargo, estos efectos beneficiosos dependen del tipo, cantidad, finura y composición química de la puzolana. El término “geopolímero” fue usado por primera en 1988 [31] para designar una nueva clase de polímeros inorgánicos formados por redes 3D amorfas de tetraedros alternados de AlO4 y SiO4 de gran estabilidad térmica y química, no inflamables, con buenas propiedades mecánicas y fácilmente procesables a temperaturas inferiores a 100ºC y presión atmosférica. El proceso químico de geopolimerización involucra dos etapas: 1) disolución de los materiales de partida en soluciones alcalinas para formar una gel rica en Si-Al sobre la superficie de los materiales, y 2) policondensación para formar cadenas poliméricas [32]. Sin embargo, el mecanismo exacto de polimerización aún no ha sido determinado completamente. Los geopolímeros en combinaciones apropiadas de materias primas y agentes activadores pueden ofrecer buenas propiedades fisicomecánicas y desempeño y durabilidad en condiciones extremas [33]-[37]. Colombia es rica en puzolanas naturales, y la piedra pómez se puede encontrar en varias regiones del país. Por lo tanto, esta investigación llevó a cabo un estudio sobre el uso de la piedra pómez como materia prima en la producción de morteros geopoliméricos, estableciendo sus propiedades fisicomecánicas, desempeño y durabilidad en condiciones extremas a partir de la evaluación de la resistencia a la compresión al ataque a altas temperaturas y al ataque químico con H2SO4 y MgSO4.

II. Materiales y Procedimiento Experimental

A. Materias primas

El cemento Portland tipo I de referencia usado en este estudio es fabricado por Holcim (Colombia) S.A., Nobsa (Boyacá). La puzolana natural corresponde a una roca volcánica de origen piroclástico, la cual fue obtenida de una cantera de explotación de Cemex Colombia S.A., localizada en los alrededores de Paipa (Boyacá). Esta se secó al sol durante tres días con el fin de eliminar el agua sin alterar sus propiedades físicas, luego se fragmento en un triturador de placas marca RETSCH, pulverizo en un mortero de ágata electrónico marca RETSCH 100 RM, y tamizo con el fin de utilizar el tamaño de partícula inferior a 125 µm para la preparación de las probetas geopoliméricas. La arena utilizada en la preparación de las diferentes mezclas fue extraída del Río Chicamocha (Santander), la cual es reconocida por su alta calidad para la preparación de materiales de alta resistencia. Los morteros geopoliméricos fueron preparados a partir de la activación alcalina de puzolana natural, usando como agentes activantes hidróxido de sodio (NaOH) en lentejas del 98% de pureza adquirido y silicato de sodio (NaSiO3) neutro 42 con relación molar SiO2:Na2O ≈ 3.0, adquiridos a nivel comercial (CONQUIMICA).

B. Caracterización de materias primas

La finura del cemento y de la puzolana se determinó por medio de la norma NTC 226 [38], mientras que el peso específico y la absorción máxima del cemento fueron determinados según la norma INV E-222 [39]. Las fases minerales cristalinas y amorfas presentes en la puzolana se determinaron en un difractómetro de rayos X marca RIGAKU modelo D/MAX IIIB bajo las siguientes condiciones analíticas: radiación CuKα (λ = 1.5406 Å), voltaje 40 kV, amperaje 30 mA, rango de medición 2-70° (2θ), tiempo de muestro/paso 2 s, intervalo de muestreo 0.02° (2θ), monocromador de grafito, rendijas DS 1°, RS 0.3 mm y SS 1°. La identificación de fases minerales se realizó mediante el proceso de búsqueda de comparación (búsqueda/coincidencia) utilizando la base de datos cristalográfica Powder Diffraction File (PDF-2) del Centro Internacional de Datos de Difracción (ICDD). Considerando que el tamaño de partícula del polvo de puzolana puede afectar efectivamente las propiedades tanto húmedas como secas de un geopolímero, la puzolana se pulverizó en un mortero de ágata hasta obtener un polvo relativamente fino el cual se pasó por tamiz malla 200 (~ 75 µm). El análisis granulométrico de la arena se llevó a cabo por medio de la norma INV E-123 [40], determinando inicialmente el peso de la fracción granular y separando las partículas en sus diferentes tamaños (1.180 mm, 0.600 mm, 0.425 mm, 0.250 mm y 0.150 mm) con el uso de tamices en orden decreciente. Finalmente se determinó el peso de cada fracción retenida, verificando que la suma de los pesos retenidos en cada tamiz fuera igual al peso de la fracción granular inicial, con una tolerancia del 0.5%. La presencia de materia orgánica se obtuvo por medio del valor de azul de metileno en agregados finos, según la norma INV E-235 [41]. El peso específico de la arena se determinó por medio de la norma NTC 221 [42]. Por otra parte, con el fin de establecer el efecto de la presencia de impurezas, la arena se lavó en el tamiz de 200 (75 µm) con el fin de eliminar impurezas tales como materia orgánica o arcillas.

C. Preparación de morteros

En la preparación de morteros se siguió la norma NTC 220 [43]. A continuación, se describe el diseño establecido en la preparación de probetas experimentales (Fig. 1). En primer lugar, se limpiaron, secaron y engrasaron los moldes (Fig. 1a). Las proporciones calculadas de materias primas fueron pesadas en una balanza electrónica digital de exactitud 0.1% para la medición en trabajos de laboratorio y calibración según la Norma NTC 2031 [44] con el fin de preparar mezclas homogéneas sustituyendo el CPO por la puzolana y el agua por la solución activante (NaOH + Na2SiO3); las proporciones que se utilizaron fueron de 1 parte de CPO o puzolana y 2.75 partes de arena y una relación de agua o solución activante/puzolana de 0.485. Esto fue seguido de una adición de agua o solución activante a cada mezcla en condiciones de agitación hasta obtener una pasta cementante. Finalmente, esta pasta se vertió en los moldes hasta alcanzar el 50% de su capacidad, compactando las mezclas cementantes (Fig. 1b). Una nueva cantidad de pasta se vertió en los moldes hasta completar el 100% de su capacidad, compactando nuevamente las mezclas cementantes y retirando el exceso de pasta en los moldes (Fig. 1c), los cuales fueron entonces cubiertos con plástico. Después de 24 horas se retiraron las probetas experimentales de los moldes (Fig. 1d), las cuales fueron rotuladas (Fig. 1e).

Fig. 1. Procedimiento de preparación de las probetas.
Fuente: Autores.

La Tabla 1 sintetiza el protocolo seguido durante la preparación de morteros de CPO y geopoliméricos. La solución activante se preparó disolviendo NaOH en agua destilada hasta que se obtuvo una concentración 8M, la cual fue mezclada con Na2SiO3 en una relación NaOH/Na2SiO3 de 1:2.5, de acuerdo a lo propuesto en estudios previos [45]-[46].

Tabla 1. Diseño experimental para la preparación de morteros de CPO y geopoliméricos.

Morteros de CPO

CPO

ANL

.AL

Relación H20 CPO

1 parte

2.75 partes

2.75 partes

0.485

CPO-ANL

CPO-AL

Ensayo

Curado a Tamb

Curado a Tamb

N° probetas experimentales

9

9

Resistencia a la compresión (7; 14, y 28 dias)

9

9

Ataque con H2S04 (4 semanas)

9

9

Ataque con \IgS04 (4 semanas)

6

6

Resistencia a altas temperaturas

Morteros geopoliméricos

PUZ

AKL

.AL

Relación SA CPO

1 parte

2.75 partes

2.75 partes

0.485

G-ANL G-ANL-65

G-.AL G-AL-65

Ensayo

Curado a Tamb

Curado a 65°C

C Curado a Tamb

Curado a 65°C

N° probetas experimentales

9

9

9

9

Resistencia a la compresión (7, 14, y 28 dias)

9

9

9

9

Ataque con H2S04 (4 semanas)

9

9

9

9

Ataque con \IgS04 (4 semanas)

6

6

6

6

Resistencia a altas temperaturas

CPO, cemento Portlattdordinario; PUZ: puzolatia; ANL, arena no lavada; AL, arena 1avada; SA, solución activante (NaOH + 8M + NaSiO3, en relación 1:2.5); CPO-ANl, Mortero de CPO con ANL; CPO-ANL, Mortero de CPO con AL; G-ANL, Geopoltmero con ANL curado a temperatura ambiente; G- AXL-65, Geopoltmero con AXL curado a 65°C; G-A.L, Geopoltmero con AL curado a temperatura ambiente; G-AL-65, Geopoltmero con AL curado a 65°C
Fuente: Autores.

D. Ensayos tecnológicos

La determinación de la resistencia a la compresión se realizó siguiendo la norma NTC 220 [43] de la siguiente manera: Las probetas fueron curadas durante 7, 14 y 28 días en un cuarto húmedo (cámara húmeda) en donde permanecieron hasta el momento de realizar los ensayos por triplicado a fin de obtener un valor promedio. El ensayo de ataque con ácidos se realizó con el fin de someter los morteros (de CPO y geopoliméricos) a condiciones extremas de exposición, simulando una situación de ambientes altamente corrosivos. Las probetas fueron curadas durante 21 días, luego fueron expuestas a una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) de pH = 1, cuyo volumen de solución fue cuatro veces mayor que el volumen de estas, a lo largo de cuatro semanas (2 ensayos sobre la misma mezcla por cada semana para sacar un promedio), dejándose un testigo de cada mezcla para evaluarlo a las nueve semanas. El ataque con H2SO4 fue evaluado mediante la pérdida de peso y el ensayo de resistencia a la compresión. La prueba de resistencia al ataque con MgSO4 se realizó de la misma forma que el ataque con H2SO4; la concentración de MgSO4 fue de 50 g/L. Esta interacción puede producir efectos negativos sobre los morteros, tales como expansión, agrietamiento, pérdida de masa y desintegración. El ataque con MgSO4 fue evaluado mediante la pérdida de peso y el ensayo de resistencia a la compresión. Con el fin de determinar el comportamiento frente a altas temperaturas se trabajó con dos probetas de cada mezcla con 28 días de curado; las probetas fueron expuestas por un periodo de dos horas a las temperaturas de 300ºC, 600ºC y 1000ºC. En cada mezcla se evaluó la pérdida de peso y la resistencia a la compresión. La porosidad de los morteros fue determinada mediante las técnicas de saturación y flotación. Las probetas fueron pesadas y sumergidas en agua durante 24 horas, extrayéndose y secándose. El peso de la probeta se tomó antes y después del proceso.

III. Resultados y Discusión

A. Propiedades físicas de las materias primas

Las propiedades físicas de las materias primas son de gran importancia como quiera que de estas depende su futura aplicación industrial. El patrón de difracción de rayos X de la puzolana natural (Fig. 2) revela que este geomaterial consiste principalmente de una mezcla de una fase vítrea esencialmente rica en SiO2 y cuarzo cristalino, con trazas de anortoclasa, halloisita y sepiolita. La fase amorfa (vidrio volcánico) da lugar a un amplio pico de baja intensidad en el rango de 2θº de 15º-35º. El cuarzo - SiO2 (JCPDS 010-77-1060) representa la fase cristalina más abundante, la cual se caracteriza por presentar picos intensos dentro de los que se destaca aquel a 2θº de 26.7°, que es el pico característico (101). Otras fases cristalinas como anortoclasa - Na0.667K0.333AlSi3O8 (JCPDS 010-75-1630), halloisita - Al2Si2O5(OH)4 · 2H2O (JCPDS 000-29-1489) y sepiolita - Mg4Si6O15(OH)2 · 6H2O (JCPDS 000-13-0595) presentan picos de baja intensidad. La difracción de rayos X en polvo, aunque es principalmente una herramienta para la caracterización de fases cristalinas, también proporciona un medio para investigar materiales amorfos [47]-[48], los cuales carecen de un arreglo tridimensional de largo alcance y producen picos de reflexión amplios con bajas intensidades en los patrones de difracción de rayos X. La piedra pómez representa un material heterogéneo constituido por una mezcla de materiales amorfos y cristalinos como la reportada por otros autores [49]-[51]. La naturaleza esencialmente silícea y amorfa de esta puzolana natural favorece su reactividad en medios alcalinos como el cemento Portland. La industria del cemento requiere que los materiales alternativos al cemento Portland presenten una gran cantidad de vidrio volcánico como es el caso de la puzolana natural utilizada en este estudio, la cual podría clasificarse como una de piedra pómez ácida con presencia de poros independientes de diferente morfología, tamaño y geometría que generalmente presentan una membrana vítrea, los cuales generan ventajas en términos de aislamiento térmico y acústico en la industria de la construcción [52]. El peso específico de la puzolana es de 2.12 gr/ml, mientras que la finura de este material es del 93.42%. La arena utilizada como agregado fino esta principalmente compuesta de cuarzo, feldespato potásico, moscovita, plagioclasa, anfíboles y fragmentos de roca. El tamaño de grano de las partículas varía de 1.19 mm (malla 16) a 0.149 mm (malla 100) y la morfología de los granos varía de angular a subangular. El peso específico y la absorción máxima de la arena fueron de 2.52 gr/ml y 1.42 gr/ml, respectivamente. Por lo tanto, estas características de la arena juegan un papel decisivo en su calidad y hacen de esta una materia prima apta para la preparación de morteros [53]. La finura del cemento es del 99.31% mientras que el peso específico de este material es de 2.89 gr/ml, los cuales están dentro de los rangos establecidos por las normas NTC 226 [38] e INV E-222 [39], respectivamente. Estos parámetros son de gran importancia en el diseño de las mezclas para la preparación de morteros.

Fig. 2. Patrón de difracción de rayos X de la puzolana natural tipo piedra pómez ilustrando los índices de Miller de las principales reflexiones. Q, cuarzo; A, anortoclasa; H, halloisita; S, sepiolita.
Fuente: Autores.

La Tabla 2 resume los ensayos tecnológicos desarrollados en probetas experimentales o morteros a base de CPO y geopoliméricos (G), utilizando arena no lavada (ANL) y arena lavada (AL) para evaluar la resistencia a la compresión de las probetas curadas durante 7, 14, 28, y 80 días y el desempeño y la durabilidad de las probetas curadas durante 28 días en condiciones extremas (altas temperaturas (300°C, 600°C y 1000°C) y ataques químicos con H2SO4 y MgSO4).

Tabla 2. Resultados de los ensayos tecnológicos.

C'PO-AXL

CPO-AL

G-AXL

GAL

G-AXL-65

G-AL-65

MPa

%

MPa

%

MPa%

%

MPa

%

MPa

%

MPa

%

Promedio de la resistencia a la compresión de las probetas experimentales y porcentaje con respecto al CPO

tiempo de curado (dias)

7

17.55

100

19.34

100

13.31

76

14.26

74

13.00

74

14.44

75

14

23.35

100

25.42

100

16.63

71

18.25

72

16.93

73

18.48

73

28

27.40

100

28.88

100

18.26

67

19.73

68

18.58

68

20.10

70

80

27.92

100

29.00

100

19.40

69

19.96

69

19.16

69

19.52

67

Resistencia a la compresión de morteros sometidos a altas temperaturas y porcentaje de pérdida de resistencia a la compresión

Temperatura (°C)

300

25.18

8

26.02

10

18.82

3

19.10

3

18.92

2

19.00

2

600

15.10

45

16.34

43

14.62

20

15.25

23

14.20

24

15.12

25

1000

2.74

90

3.70

87

5.30

71

6.45

67

4.88

74

6.12

70

Porcentaje de pérdida de resistencia a la compresión al ataque con H;S04 después de 9 semanas

tiempo de ataque (semanas)

9

37.09

35.14

9.55

8.24

11.40

9.84

Porcentaje de pérdida de resistencia a la compresión al ataque con MgSOj después de 9 semanas

tiempo de ataque (semanas)

9

30.08

28.71

12.36

11.86

13.81

12.63
Fuente: Autores.

B. Resistencia a la compresión

La Fig. 3 ilustra el comportamiento mecánico de los morteros geopoliméricos frente a los morteros de CPO de referencia. Las mezclas preparadas con arena lavada presentaron mejores resultados que aquellas con arena no lavada, lo cual puede ser debido a que la arena lavada está libre de materia orgánica o arcillas que afectan la resistencia a la compresión de los morteros. La literatura existente sobre el uso de materiales alternativos al cemento Portland muestra que la resistencia a la compresión disminuye, dependiendo del contenido de piedra pómez debido a la reducción del contenido de clínker en la mezcla de cemento [54]-[55]. La Tabla 2 muestra los resultados de la resistencia a la compresión de las probetas experimentales curadas durante 7, 14, 28, y 80 días. Las probetas con mejor desempeño mecánico corresponden a las mezclas de CPO-AL y CPO-ANL con valores de 27.92 MPa y 29.00 MPa, respectivamente, a los 80 días de curado. Las probetas geopoliméricas alcanzaron entre 66 y 75% de la resistencia adquirida por las probetas de CPO. Las probetas curadas a 65ºC durante 24 horas presentan una resistencia a la compresión ligeramente mayor que la de las probetas curadas a temperatura ambiente; esta diferencia se ve marcada sólo a tempranas edades de curado, ya que hay una aceleración en la reacción de geopolimerización [13]-[14], la cual depende de la composición mineralógica y de la relación SiO2/Al2O3 de la fuente de aluminosilicato utilizada. Es evidente que la piedra pómez utilizada en este estudio como fuente de aluminosilicato pura es posible de activar, ya que contiene fases cristalinas (anortoclasa, halloisita y sepiolita) que contribuyen con SiO2 y Al2O3, aunque es importante ajustar la relación SiO2/Al2O3 aproximadamente a 2.0 [56]. Por lo tanto, la activación alcalina de la puzolana tiene un comportamiento cementante parecido al CPO. Estos resultados son muy similares a los reportados en la literatura [6], [28], [30], [54]-[56].

Fig. 3. Resistencia a la compresión de morteros en función del tiempo de curado.
Fuente: Autores.

C. Resistencia a la compresión a altas temperaturas

Los morteros de CPO expuestos a 1000ºC presentaron una reducción del 87%-90% de la resistencia a la compresión con relación a su valor inicial. Por otra parte, los geopolímeros expuestos a la misma temperatura presentaron una reducción del 67%-73% de la resistencia a la compresión con relación a su valor inicial. La Fig. 4 revela que las probetas geopoliméricas presentaron un comportamiento mecánico más estable frente a las altas temperaturas que las probetas de referencia como está indicado por las líneas de tendencia, cuya pendiente es más suave para los morteros geopoliméricos con relación a aquella de los morteros de CPO. La pérdida de peso en las probetas fue determinada para los diferentes rangos de temperaturas a que fueron expuestas y comparadas con los pesos iniciales. La pérdida de humedad inicial a 300ºC fue de 8.15%-8.80% del peso inicial en las probetas de CPO, mientras que las probetas geopoliméricas para esta misma temperatura tuvieron una pérdida de 5.41%-6.78% del peso inicial, lo cual es debido a la pérdida de agua capilar. A esta temperatura, los morteros de CPO mostraron las mayores resistencias a la compresión (25.18 MPa-26.02 MPa) con relación a las obtenidas en los morteros geopoliméricos, las cuales están en el rango de 18.82 MPa-19.10 MPa. Entre 600ºC y 1 000ºC, la pérdida de peso para las probetas de CPO fue de 9.82%-12.66%, lo cual está relacionado con procesos de deshidratación de los minerales arcillosos y liberación de CO2, mientras que las probetas geopoliméricas tuvieron una pérdida de 6.64%-9.29%. A 600ºC, las probetas analizadas mostraron valores de resistencias a la compresión muy similares (14.20 MPa-16.34 MPa). A 1000°C, los morteros de CPO mostraron las menores resistencias a la compresión (2.74 MPa-3.70 MPa) con relación a las obtenidas en los morteros geopoliméricos, las cuales están en el rango de 4.88 MPa-6.45 MPa. La Tabla 2 presenta los resultados obtenidos a partir de los ensayos de resistencia a la compresión de probetas curadas durante 28 días sometidas a altas temperaturas. Estos resultados indican que las probetas geopoliméricas presentaron un mejor comportamiento a altas temperaturas con respecto al de las probetas de CPO, disminuyendo en menor proporción sus valores de resistencia a la compresión y peso inicial a altas temperaturas. Ciestas investigaciones [57] demostraron que la resistencia a la compresión de los geopolímeros a base de piedra pómez es reducida a altas temperaturas, particularmente después de 600ºC, lo cual está en concordancia con los resultados obtenidos en el presente estudio.

Fig. 4. Resistencia a la compresión de morteros sometidos a altas temperaturas.
Fuente: Autores.

D. Resistencia a la compresión al ataque con H2SO4

La Fig. 5 ilustra la evolución de la resistencia a la compresión de los morteros geopoliméricos y de CPO curados durante 21 días, los cuales se sumergieron en una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) con un pH de 1 durante 1, 2, 3, 4 y 9 semanas. Los morteros de CPO tuvieron una pérdida de resistencia a la compresión durante las 9 semanas, siendo mayor durante las primeras 4 semanas. Los morteros geopoliméricos mostraron muy poca pérdida de resistencia a la compresión a lo largo de las 9 semanas. La pérdida de resistencia a la compresión fue de 35.14%-37.09% para las probetas de CPO, siendo mayor en aquellas preparadas con arena no lavada, y de 8.24%-11.40%, para las probetas geopoliméricas, siendo mayor en aquellas preparadas con arena no lavada y a 65ºC. Estos resultados indican que la pérdida de resistencia a la compresión fue mayor en los morteros de CPO con relación a los morteros geopoliméricos. Los valores de resistencia a la compresión de los morteros de CPO mostraron una disminución con el tiempo desde 24.86 MPa-27.08 MPa (después de 1 semana) hasta 16.48 MPa-18.16 MPa (después de 9 semanas), mientras que los morteros geopoliméricos, a pesar de que mostraron igualmente una disminución en los valores de resistencia a la compresión, esta fue más pequeña (entre 18.76 MPa-19.44 MPa después de 1 semana y 16.10 MPa-17.85 MPa después de 9 semanas). Según diversos estudios [58], durante los primeros días de inmersión en H2SO4 ocurre un fenómeno de saturación del espacio poroso de los geopolímeros, lo cual genera una ligera mejora en su resistencia a la compresión. No obstante, aunque el efecto a corto plazo frente al ataque químico con H2SO4 fue favorable para la resistencia a la compresión de los geopolímeros, es probable que ocurra un efecto adverso a mediano y largo plazo, lo cual podría causar una disminución de la resistencia a la compresión de los geopolímeros. No se observaron daños en la superficie de las probetas experimentales ni cambios significativos en su peso después de la exposición en medio ácido durante 9 semanas. La Tabla 2 presenta los porcentajes de pérdida de resistencia a la compresión por el ataque con H2SO4 después de 9 semanas.

Fig. 5. Resistencia a la compresión de morteros atacados con H2SO4.
Fuente: Autores.

E. Resistencia a la compresión al ataque con MgSO4

La Fig. 6 ilustra la evolución de la resistencia a la compresión de los morteros geopoliméricos y de CPO curados durante 21 días, los cuales se sumergieron en una solución de sulfato de magnesio (MgSO4) de concentración 50 g/L a pH controlado durante 1, 2, 3, 4 y 9 semanas. La pérdida de resistencia a la compresión fue de 28.71%-30.08% para las probetas de CPO, siendo mayor en aquellas preparadas con arena no lavada, y de 11.86%-13.81%, para las probetas geopoliméricas, siendo mayor en aquellas preparadas con arena no lavada y a 65ºC. La pérdida de resistencia a la compresión fue mayor en los morteros de CPO con relación a los morteros geopoliméricos, lo cual está en concordancia con los resultados obtenidos por otras investigaciones [59]. El uso de piedra pómez en la preparación de geopolímeros favorece la resistencia al ataque con MgSO4 [59]-[61]. Para varios trabajos [60], la presencia de piedra pómez mejora el desempeño y durabilidad de los geopolímeros debido a su reacción puzolánica con Ca(OH)2 para producir un mayor volumen sólido de gel de silicato de calcio cementoso, y el consumo de Ca(OH)2 por la piedra pómez impide la formación de ettrengite. Los valores de resistencia a la compresión de los morteros de CPO mostraron una disminución con el tiempo desde 24.12 MPa-25.38 MPa (después de 1 semana) hasta 18.32 MPa-19.96 MPa (después de 9 semanas), mientras que los morteros geopoliméricos, a pesar de que mostraron igualmente una disminución en los valores de resistencia a la compresión, esta fue más pequeña (entre 18.68 MPa-19.60 MPa después de 1 semana y 15.60 MPa-17.30 MPa después de 9 semanas). En general, las probetas sufrieron expansión, agrietamiento, pérdida de peso (ligeramente menor en los morteros geopoliméricos) y desintegración por el ataque con MgSO4. La Tabla 2 presenta los porcentajes de pérdida de resistencia a la compresión por el ataque con MgSO4 después de 9 semanas.

Fig. 6. Resistencia a la compresión de morteros atacados con MgSO4.
Fuente: Autores.

F. Porosidad

La Tabla 3 resumen los resultados de porosidad y densidad de los morteros con una edad de curado de 28 días que fueron ensayados. Los morteros geopoliméricos presentaron una porosidad mayor respecto a los morteros de CPO, confirmando el efecto de que la porosidad es desfavorable para el rendimiento mecánico de los geopolímeros a base de piedra pómez, los cuales además cuando son activados con una concentración 8M de NaOH es cuando generan mayores valores de porosidad y absorción de agua [62]. Esto puede ser atribuido a que la puzolana utilizada en la preparación de morteros geopoliméricos no presentó una finura igual a aquella del CPO. El comportamiento de la densidad es inverso a la porosidad como quiera que a mayor porosidad (14.42%-22.55%) es menor la densidad (1.63 g/cm3-1.87 g/cm3). De otra parte, la densidad de las probetas geopoliméricas fue menor comparada con la de las probetas de CPO. Los geopolímeros que se curaron durante 24 horas a 65ºC mostraron una porosidad más alta que los geopolímeros curados a temperatura ambiente, lo cual es debido a que la reacción de geopolimerización (solución activante-puzolana) se lleva a cabo de forma rápida generando la formación de una fase amorfa y otra semicristalina, lo que, al principio es positivo para el desarrollo de la resistencia a la compresión pero, debido a que los productos reaccionantes tienen una estructura poco ordenada, la pasta de cemento se vuelve más porosa y la resistencia a la compresión a partir de los 28 días se empieza a debilitar.

Tabla 3. Porosidad y densidad de los morteros.

Parámetro

CPO-AXL

CPO-AL

G-AXL

G-AL

G-AXL-65

G-AL-65

Volumen total (cm3)

121.43

131.48

120.14

119.90

119.26

126.68

Volumen de vacíos (cm3)

12.34

14.53

25.05

17.29

26.90

25.82

Porosidad (%)

10.16

11.05

20.85

14.42

22.55

20.38

Densidad seca (g/cm3)

2.01

1.98

1.69

1.87

1.63

1.67
Fuente: Autores.

IV. Conclusiones

La puzolana natural (piedra pómez) utilizada en la preparación de geopolímeros podría clasificarse como piedra pómez ácida altamente pura con una estructura amorfa. Los resultados obtenidos mostraron que es posible producir geopolímeros de bajo costo y valor agregado utilizando puzolana natural tipo piedra pómez y que los morteros obtenidos a partir de la activación alcalina de puzolana presentan ventajas comparativas con relación al mortero de CPO a nivel de sus propiedades fisicomecánicas y de desempeño y durabilidad en condiciones extremas. La mayor parte de los factores (relación agua/cemento, condiciones de curado, etc.) que afectan al proceso de fabricación y propiedades finales (resistencia mecánica, desempeño y durabilidad) de los morteros de CPO también afectan la preparación y calidad final de los morteros geopoliméricos. En términos generales, los morteros geopoliméricos a base de piedra pómez presentan propiedades fisicomecánicas y desempeño y durabilidad que los catalogan como materiales de excelente calidad con relación a los morteros de CPO. Los morteros geopoliméricos alcanzaron resistencias a la compresión de 19.16 MPa-19.96 MPa inferiores a las obtenidas con los morteros de CPO (27.92 MPa-29.00 MPa) a los 80 días de curado. Los morteros geopoliméricos que alcanzaron las mayores resistencias a la compresión fueron aquellos que se elaboraron con arena lavada ya sea curados a temperatura ambiente (19.96 MPa) o a 65ºC (19.52 MPa), lo que demuestra la importancia de utilizar arenas limpias o libres de materia orgánica para alcanzar altas resistencias mecánicas. La resistencia a la compresión de los geopolímeros a base de piedra pómez es reducida a altas temperaturas, particularmente después de 600oC. Los morteros geopoliméricos no mostraron ningún cambio reconocible de color después de ser sometidos ataques químicos con H2SO4 y MgSO4, preservándose estructuralmente intactos. De otra parte, se produjeron pérdidas de peso muy bajo en los morteros geopoliméricos con relación a los morteros de CPO después de 9 semanas de estar inmersas en las soluciones de H2SO4 y MgSO4, confirmando su alta resistencia contra el ataque químico. Los geopolímeros que se curaron durante 24 horas a 65ºC mostraron una porosidad más alta que los geopolímeros curados a temperatura ambiente, lo cual es debido a que la reacción de geopolimerización (solución activante-puzolana) se lleva a cabo de forma rápida generando la formación de una fase amorfa y otra semicristalina.

Financiamiento

Artículo de investigación científica el cual forma parte del trabajo de pregrado de Álvarez “Síntesis y caracterización de las propiedades fisicomecánicas de geopolímeros a partir de puzolana para su aplicación en la industria”, apoyado por la Universidad Industrial de Santander.

Agradecimientos

Esta investigación fue realizada gracias al apoyo de la Universidad Industrial de Santander y la empresa Andina Ingeniería Ltda. Los autores expresan sus agradecimientos a estos dos organismos por las facilidades analíticas suministradas para el desarrollo de las pruebas experimentales. Los autores agradecen el apoyo financiero de la Universidad Industrial de Santander para financiar a H. Álvarez. Nos gustaría expresar nuestra gratitud al geólogo Orlando Ardila por su apoyo y colaboración durante el desarrollo experimental en el Laboratorio de Andina Ingeniería Ltda. Los autores están muy agradecidos con las personas e instituciones mencionadas por su apoyo.

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[62] I. B. Messaoud, N. Hamdi & E. Srasra, “Physicochemical Characterization of Geopolymer Binders and Foams Made from Tunisian Clay,” Adv Mater Sci Eng, vol. 2018, pp. 1–8, Feb. 2018. https://doi.org/10.1155/2018/9392743

Hernando Álvarez Mantilla received the BSc in Geology from the Universidad Industrial de Santander (Colombia). He has worked as field geologist in Geoamerica Ltda and HMV Ingenieros, as Geologist in HMV Ingenieros and Antek SAS, and as Mudlogger in GEOLOG International. https://orcid.org/0000-0001-8364-5039

Carlos Alberto Ríos Reyes received the BSc in Geology and the Post-graduate Diploma in University Teaching from the Universidad Industrial de Santander (Colombia). The Shimane University (Japan) conferred on him the degree of MSc in Geology, and the University of Wolverhampton (England) conferred him the degree of PhD in Applied Sciences. He has been working as a full-time Lecturer of the School of Geology (Universidad Industrial de Santander). He is a specialist in mineralogy, experimental and environmental mineralogy, petrology and geochemistry of metamorphic rocks. Actually, he is the Director of the Microscopy Laboratory of the Universidad Industrial de Santander. https://orcid.org/0000-0002-3508-0771

Oscar Mauricio Castellanos Alarcón received the BSc in Geology from the Universidad Industrial de Santander (Colombia). The Shimane University (Japan) conferred on him the degree of MSc in Geology. Actually, he is a PhD candidate at the Universidad Nacional de Colombia. He has been working as a full-time Lecturer of the Program of Geology (Universidad de Pamplona). He is specialist in mineralogy, experimental mineralogy, petrology and geochemistry of metamorphic rocks. https://orcid.org/0000-0003-0620-0540

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© The author; licensee Universidad de la Costa - CUC.
INGE CUC vol. 17 no. 1, pp. 216-229. Enero - Junio, 2021
Barranquilla. ISSN 0122-6517 Impreso, ISSN 2382-4700 Online
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