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Introducción
Las actividades que la industria lleva a cabo para satisfacer a la sociedad de consumo actual requieren energía y generan residuos. En este sentido, la ingeniera ambiental juega un papel importante en la mitigación del impacto que la industria genera en el medio ambiente, ya que, tiene como objetivo principal la creación de soluciones que permitan resolver problemas complejos en este ámbito. Por ejemplo, el sector de la construcción tiene un impacto ambiental intensivo, puesto que consume aproximadamente el 40% de los recursos naturales extraídos, representa el 12% del consumo mundial de agua, y es responsable del 45-60% de los residuos sólidos que se depositan en los vertederos.1
Los residuos sólidos que se generan son variados y algunos son considerados de interés económico y reutilizados en la fabricación de nuevos materiales, como es el caso de los materiales activados alcalinamente o materiales activados por álcali (MAA). Los MAA son aglutinantes emergentes que han recibido gran interés debido a su permeabilidad baja (3 veces menor en comparación con el concreto a base de cemento Portland),2 resistencia mecánica (resistencia a la compresión de 20-150 MPa),3 térmica (hasta 1,000 °C con una pérdida menor a 20% de su resistencia mecánica),2 a la corrosión (sin formación de minerales de sulfato por lo que posee una mejor resistencia a la corrosión por sulfato), y durabilidad (la tasa de descomposición al 5% de ácido sulfúrico o ácido clorhídrico es aproximadamente 1/13 o 1/12 de la tasa del cemento Portland a las mismas condiciones)4 similar o incluso mayor a la que exhibe el cemento Portland (CP) tradicional.5,6 Estos materiales se obtienen de la activación alcalina de un precursor sólido. El precursor es un aluminosilicato, lo que ofrece la posibilidad de emplear diversos residuos y subproductos como materias primas. El activador es un álcali como el hidróxido de sodio o potasio. Tiene como función principal promover la disolución del precursor y la posterior polimerización de los diferentes productos de hidratación formados (similares al gel C-S-H formado de la hidratación del CP), responsables de su comportamiento mecánico.7 Los MAA tienen la ventaja de que se obtienen a temperatura ambiente a partir de precursores como ceniza volante, escorias metalúrgicas, vidrio, humo de sílice, lodo rojo o cenizas de biomasa, y requieren de un curado desde temperatura ambiente hasta 80 °C.8 La inclusión de residuos y subproductos como precursores se perfila como una solución viable para superar los efectos adversos de la generación de residuos, como son la falta de espacios para su adecuado almacenamiento a largo plazo, la contaminación de agua subterránea por lixiviación y la contaminación del aire.9
De acuerdo con la Asociación Americana de Cenizas de Carbón (American Coal-Ash Association, ACAA), en 2021, se generaron 25.4 millones de toneladas. De las cuales, sólo se reutilizó 67.08%; principalmente en concreto, cemento, relleno estructural, carreteras y terraplenes.10 La ceniza volante (CV) es el residuo generado de la combustión de carbón, el cual es transportado en el torrente de gases de combustión y es captado mediante sistemas electrostáticos y filtros neumáticos.11,12 Su tamaño de partícula de entre 10 y 45 µm (80-90%) y composición química basada en óxidos de silicio y aluminio reactivos (> 40%, ≥ 18%, respectivamente) hacen de la CV un precursor adecuado para la activación alcalina.13,14 En México, donde 4.2% de la energía se genera con carbón,15 únicamente se aprovecha entre 0.8 y 16% de la ceniza volante.14 Por esta razón, se considera un candidato idóneo para ser reutilizado en la elaboración de MAA. En la fundición del hierro y el acero se generan escorias como subproductos, que representan del 70% al 85% del desperdicio solido de la industria siderúrgica con una producción global estimada entre 440 y 680 millones de toneladas al año.16,17 Sus características dependen de su proceso de obtención (alto horno, arco eléctrico, básico al oxígeno) y del método que se utiliza para su enfriamiento (agua, vapor, aire comprimido), lo que determina su tamaño de partícula, composición química y mineralógica, porosidad, densidad y contenido de fases cristalinas.18 Lo anterior, permite un abanico amplio de aplicaciones, por lo que un porcentaje alto es aprovechado como material cementante suplementario (MCS) del CP, agregado ligero en concreto, agregado grueso para carpeta asfáltica, balastro y fertilizantes.19 En el caso de los residuos de vidrio (RV), también exhiben una alta tasa de generación y acumulación, debido a su consumo intensivo y baja reutilización/reciclado.19,20 Más de 85% de la producción mundial de vidrio (130 millones de toneladas en 2018) proviene de la fabricación de envases y vidrio plano.21 En México, la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales estimó en sus estadísticas que, en el año 2012, se recolectaron aproximadamente 22,600 toneladas de vidrio como material valorizable,22 de los cuales únicamente se reutilizó 23.5%,23 un porcentaje que es consistente con la tendencia global.24 Por su composición química de 56-70% de SiO2, 6-12% de CaO, 0.5-5% de Al2O3, 12-15% de Na2O y 0.1-3% de Fe2O3, son considerados residuos urbanos, los cuales son utilizados en la industria de la construcción como reemplazo de arena natural en el concreto, material de relleno para las bases de carreteras y como material cementante suplementario, debido principalmente a su composición química y propiedad puzolánica.9
En consecuencia, estudios e investigaciones centradas en nuevos materiales ecológicos y sustentables para la industria de la construcción son cruciales para reducir los problemas ambientales asociados con esta industria masiva y con la acumulación de residuos sólidos. Por lo tanto, uno de los grandes retos de la industria de la construcción y la arquitectura se centra en la reutilización de residuos. Se ha demostrado que los MAA basados en escoria y ceniza volante presentan propiedades mecánicas y durabilidad comparables, e incluso superiores, con el cp. Sin embargo, estos precursores están disponibles localmente en algunos países. En consecuencia, se han estudiado otros residuos como el vidrio, cenizas de cáscara de arroz y cenizas de aceite de palma.25
Recientemente, los residuos de vidrio se han utilizado como precursores parciales, con el objetivo de aumentar su reutilización.26,27 Por lo anterior, en el presente trabajo se estudió la sustitución de ceniza volante por residuos vidrio y su impacto en la resistencia a la compresión en pastas de MAA basados en escoria hierro y ceniza volante locales.
Materiales
Para la preparación de las pastas se utilizaron como precursores escoria de hierro (EAH), ceniza volante (CV) y vidrio (RV) (Figura 1). La escoria utilizada corresponde a una escoria de hierro de alto horno, obtenida de una las principales empresas siderúrgicas de México (Monclova, Coahuila). La ceniza volante se obtuvo de CFE Generación IV (Petacalco, Guerrero) y los residuos de vidrio provienen del producto rechazado de la producción de envases y botellas (Grupo Pavisa, Edo. México). Como activador alcalino se utilizó una disolución de hidróxido de sodio (J.T. Baker, 97%) y silicato de sodio (Barsa S-42, 9.2% de Na2O, 29.9% de SiO2). Para obtener una muestra representativa de cada residuo se utilizó el Método de cuarteo nmx-aa-15-1992. Posteriormente, los residuos fueron sometidos a un proceso de acondicionamiento (Figura 2). En el caso particular de los RV, previamente fueron lavados con agua y detergente extran (eliminación de arena, grasa y polvo). El proceso de acondicionamiento consistió en un secado a 110 °C (horno Thermo Scientific Precision) hasta peso constante, seguido de un proceso de molienda en un molino de bolas de acero (TECAN qm-5), sólo para el caso de los RV y EAH, y un tamizado a malla No. 325 (Tyler) empleando un tamizador analítico (Retsch AS 200). Después del proceso de tamizado se realizó su análisis granulométrico por difracción láser (difractómetro Mastersizer 2000, 0.02-2000 µm, Malvern Instruments). La composición química de cada uno de los residuos fue obtenida por fluorescencia de rayos X (FRX), empleando un espectrómetro secuencial de rayos X, Rigaku Primus II con tubo generador de rayos X de rodio y ventana de berilio de 125 µm. Por difracción de rayos X de polvos (DRX) se determinó su composición mineralógica y se identificó la presencia de material amorfo. Para su análisis por DRX se utilizó un difractómetro Empyrean con filtro de níquel, λCu=1.5406 Å, detector PIXcel3D, a 45 kV y 40 mA, un tamaño de paso de 0.002° (2θ) y un tiempo de integración de 50s/paso en un intervalo de 5 a 60° de 2θ.
Desarrollo experimental
Para estudiar la influencia de los RV en la resistencia a la compresión de MAA basados en EAH y CV se diseñaron y evaluaron diferentes proporciones (Figura 3), manteniendo constante los siguientes parámetros: relación en masa líquido/sólido de 0.4, relación molar Si/Al de 3.0 y la cantidad de EAH (50% en masa). Las pastas fueron preparadas a partir de la mezcla de los residuos y el activador alcalino en una mezcladora (JJ-5 cement mortar mixer) durante 5 min. Con la pasta obtenida se elaboraron tres probetas, que posteriormente se utilizarán en las pruebas de resistencia a la compresión. En este caso, la pasta fue colocada en los moldes cilíndricos (altura:diámetro 2:1, 48 mm x 24 mm) y posteriormente vibrados en un agitador tipo vórtice (Glas-Col Multi-Pulse Vortex) por 10 min. Finalmente, las probetas obtenidas fueron sometidas a un proceso de curado durante 7, 14 y 35 días a temperatura ambiente (22 ± 2 °C). Las pruebas de resistencia a compresión simple se realizaron en un marco de carga dinámica MTS 25t (precarga de 3 kg y una carga por desplazamiento a una velocidad constante de 5 mm/min) instalado en el Laboratorio de Estructuras y Materiales del II-UNAM.
Fuente: elaboración propia.
Figura 3 Proporciones de las mezclas para la preparación de las pastas de MAA.
Resultados
En la Figura 5 se presenta la curva de distribución de tamaño de partícula de cada uno de los residuos. Los resultados indicaron un tamaño de partícula d50 de 14.909 µm para la CV. Los RV y la EAH, después del proceso de molienda, presentaron un tamaño de partícula d50 de 17.917 µm y 11.690 µm, respectivamente. El análisis químico por FRX muestra que los residuos están constituidos principalmente por SiO2 (39-72% en masa) con proporciones variables de Al2O3 (1.5-20% en masa), CaO (1.3-39% en masa) y Na2O (0.3-14.5% en masa). En la Figura 4 se observa que la CV tiene un contenido de CaO menor a 10%, la suma del porcentaje de SiO2+Al2O3+Fe2O3 mayor a 70% y una PXC de 5.04 indican que la CV corresponde a una ceniza volante tipo F, de acuerdo con las especificaciones establecidas en la Norma ASTM C 618.28 La pérdida por calcinación (PXC) es un parámetro importante en la CV, cuando este valor es mayor a 12%, se tiene un incremento en la demanda de líquido en la mezcla; lo que se traduce en un fraguado lento.29,30 En el caso de los RV, el contenido alto en SiO2 (39.24%), Na2O (14.46%) y CaO (9.70), los clasifica como residuos de vidrio tipo sódico cálcico. A diferencia de la CV y los RV, la EAH tiene un mayor contenido en CaO. En este caso, su composición química es similar a la observada para otras escorias de hierro, donde su composición química está basa principalmente en SiO2, Al2.O3 y CaO, con valores en el intervalo de 26.6-46.6%, 5.86-41.2% y 0.15-93.4%, respectivamente.18
El análisis por DRX confirmó la naturaleza amorfa de los RV y la EAH, sin la presencia de fases cristalinas (Figura 6). En la Figura 4, se observa que la CV está constituida por una fase amorfa en menor proporción, identificada por el levamiento de la línea base y la presencia de un halo amplio de 15-40° de 2θ en el patrón de difracción. Los máximos de difracción o picos identificados en la CV corresponden a las fases cristalinas de Cuarzo, Mullita y Magnetita, lo que es consistente con su análisis químico por FRX.
Resistencia a la compresión
En la Figura 7 se muestra la configuración de las pruebas de resistencia a compresión simple para los MAA. Particularmente, en la Figura 5.d se muestra la falla que presentaron las probetas. Este tipo de falla se produce cuando se alcanza una carga uniformemente distribuida en el material sometido a compresión.
Fuente: elaboración propia.
Figura 7 a y 7b, configuración de las pruebas de resistencia a compresión simple; 7c y 7d, probetas de MAA después de las pruebas de resistencia.
En la Figura 8 se presentan los valores promedio de tres probetas para cada MAA a 7, 14 y 35 días. La gráfica muestra la evolución de la resistencia en función del tiempo, observándose un incremento con paso del tiempo. En todos los casos, la resistencia máxima se alcanza alrededor de los 35 días. A 7 días, los MAA de EAH/CV (MAA0) mostraron una resistencia de 23.7 MPa, mientras que los MAA con 10%, 20% y 30% de RV (MAA10, MAA20, MAA30) exhibieron una resistencia de 26.1, 28.2 y 29.4 MPa, respectivamente. A 14 días exhibieron resistencias de 34.30, 38.07 y 40.27 MPa, y a 35 días de 40.22, 42.06 y 44.26 MPa. Lo que indica un incremento de su resistencia hasta en un 19.3% cuando se sustituye 30% de la CV con RV; mientras que a 14 y 35 días, se tiene aumento del 17.8% y del 15.9%, respectivamente. Este incremento en la resistencia, se debe principalmente a que los RV se disuelven en medios altamente alcalinos (pH >13), lo que proporciona una cantidad de sílice soluble disponible en las etapas iniciales de la activación alcalina.31
La caracterización de los residuos por FRX y DRX demostró su potencial como precursores para el proceso de activación alcalina en la obtención de materiales activados por álcali con resistencias a la compresión mayores en comparación con el CP (cemento Portland ordinario, CPO 20, 20 MPa, 28 días).32
Conclusiones
Los valores de resistencia a la compresión sugieren que los residuos de vidrio utilizados en porcentajes del 10 al 30% (en masa) son una alternativa como precursores parciales de ceniza volante en pastas de MAA obtenidos por activación alcalina de una mezcla de escoria de hierro y ceniza volante. Con una sustitución de 30% de CV por RV, los MAA exhibieron una resistencia máxima a la compresión de 40.22, 42.06 y 44.26 MPa a 7, 14 y 35 días. De tal forma que la adición de 30% de residuos de vidrio en los MAA basados en EAH/CV incrementó su resistencia hasta en 19.3, 17.8 y 15.9% respectivamente, convirtiéndolos en un material competitivo. El empleo conjunto de estos tres residuos impulsa su reutilización como materias primas en la elaboración de conglomerantes alternativos al cemento Portland. Todos los sistemas estudiados presentaron mejor resistencia a la compresión a 7 días que la que el cemento Portland ofrece a 28 días, por lo que este tipo de materiales podría emplearse en la fabricación de morteros y concretos con propiedades prometedoras. Finalmente, la escoria de alto horno, la ceniza volante y los residuos de vidrio son precursores locales adecuados en la elaboración de MAA.
