Síntesis de Material Geopolimerico a partir de Ceniza Volcánica

Practica

Síntesis de Material Geopolimerico a partir de Ceniza Volcánica

1. OBJETIVO: Evaluar la posibilidad de generar un material geopolimerico. Evaluar su resistencia a la compresión.

2. FUNDAMENTO TEORICO:

Los polímeros inorgánicos o geopolimeros son formados por redes 3D amorfas de tetraedros alternados de AlO4- y SiO4 de gran estabilidad térmica y química no inflamables, con buenas prestaciones mecánicas y fácilmente procesables a temperaturas inferiores a 100° C y presión atmosférica.

Los geopolimeros también son conocidos como aluminosilicatos inorgánicos y tiene un elevado potencial para ser usados en numerosos campos, pero predomina el uso como sustitutos de cementos portland.

La reacción de geopolimerización se produce bajo condiciones altamente alcalinas entre un polvo de aluminosilicatos y una solución activadora (basada en una mezcla molar de hidróxido sódico y un silicato alcalino, por ejemplo, de sodio o de potasio) a condiciones ambientales.

Los geopolímeros tienen un elevado potencial para ser usados en numerosos campos, pero predomina el uso como sustitutos de cementos portland, campo hacia el que se ha dirigido la mayor parte de la investigación. Los geopolímeros tienen la ventaja de tener bajas emisiones de CO2 en su producción, una gran resistencia química y térmica, y buenas propiedades mecánicas, tanto a temperatura ambiente como a temperaturas extremas.

Estructura y mecanismos de formación:

El proceso de polimerización es llevado a cabo al poner al material

escogido en contacto con la solución activador alcalino, lo cual da como

resultado la formación de cadenas poliméricas tras haberse reorientado

los iones en solución. Estas cadenas poliméricas pueden ser

consideradas hipotéticamente como el resultado de la poli

condensación de iones de ortosialato. Dado que el mecanismo exacto de

reacción aún no ha sido determinado completamente, se asume

usualmente que la síntesis es llevada a cabo por medio de oligómeros,

los cuales proveen las estructuras unitarias de la

red macromolecular tridimensional.

En este caso, los geopolímeros se fabricaran a partir de una suspensión

que consiste en una mezcla de ceniza volcánica con una solución

alcalina. Por lo general, el vidrio líquido (silicato de sodio) también se

añade a la suspensión para apoyar la reacción de solidificación como un

reactivo activo, este comportamiento de solidificación se llama

geopolimerización, y la reacción química que forma los cuerpos

endurecidos (geopolimeros) se puede escribir de la siguiente manera:

Se hizo un intento de

fabricar un cuerpo endurecido mediante la mezcla de ceniza volcánica y una solución alcalina. Los efectos de la concentración de la solución de NaOH, la adición de agua, y el tiempo de curado en la resistencia a la compresión de los cuerpos endurecidos fueron investigados.

* Composiciones químicas de diferentes muestras de cenizas volcánicas:

3. MATERIALES Y EQUIPOS:

3.1. MATERIALES:

Ceniza volcánica:

La ceniza volcánica es una composición de partículas de roca y mineral muy finas (de menos de 2 milímetros de diámetro).

La ceniza se genera a partir de la roca cuarteada y separada en partículas diminutas durante un episodio de actividad volcánica explosiva. La naturaleza normalmente violenta de una erupción, incluyendo chorros de vapor de agua (erupción freática), produce como resultado una gran cantidad de magma y tal vez roca sólida

que rodea el viento volcánico, torneando las partículas hasta reducirlas al tamaño de granos de arena.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

DUREZA:Varía entre 2 y 7 en la escala de Mohs. Entonces 2 corresponde a yeso y 7 a cuarzo. Se puede tomar como valor medio de dureza para la ceniza de 5.5, correspondiente al vidrio volcánico. Por estas características, la ceniza es utilizada en la industria como abrasivo.

DENSIDAD:La densidad de la ceniza varía entre 0.5 y 2 g/cm3, dependiendo de la compactación que experimente y del contenido de agua. Esto quiere decir que una capa de ceniza de 1 cm. de espesor puede ejercer un esfuerzo de 20 Kg por cada metro cuadrado.

CONDUCTIVIDAD: La conductividad eléctrica correspondiente a la ceniza humedecida (1:1 agua/ceniza) varía desde 214W m para cenizas de grano inferior a 74 micras, hasta 1640W m para tamaños superiores a 0.8mm. 

CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS

Generalmente la ceniza volcánica tiene esta composición.

Composición del Guagua Pichincha (VOLCAN DE ECUADOR):

SILICATO DE SODIO:

El silicato de sodio o silicato sódico, también conocido como vidrio soluble, es una sustancia inorgánica, de fórmula Na2SiO3 que se encuentra en soluciones acuosas y también en forma sólida.Se forma cuando el carbonato de sodio y el dióxido de silicio reaccionan formando silicato de sodio y dióxido de carbono: 

Son utilizados en la industria como adhesivos, detergentes, ingredientes en compuestos de limpieza, cementos, ligantes "binders", capas protectoras y peculiares, ayuda coagulante, anticorrosivos, bases de catalizadores, defloculadores, insumos químicos, zeolitas, etc.

Las diferentes propiedades y características funcionales de los silicatos solubles pueden ser utilizadas para resolver eficiente y económicamente muchos problemas que surgen en procesos industriales y químicos.

HIDRÓXIDO DE SODIO:

CARACTERÍSTICAS FÍSICO QUIMICASEstado físico: Líquido semitransparente y viscoso.

Densidad a 20 ºC : 40 ºBé – 54 ºBé (grado Baumé)

Color: Incoloro a ligeramente grisáceo.

Gravedad Específica : 1.394 – 1.593

Olor: Inodoro. Punto de Congelación: -1°C (30 °F)

pH a 20 ºC: 12.3 – 12.7. Punto de Ebullición:101 ºC – 102°C

Solubilidad en Agua : 100% soluble

Viscosidad a 20 ºC: 65 cps. aprox. (centipoise)

Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2

El hidróxido de sodio (NaOH) o hidróxido sódico, también conocido como soda cáustica o sosa cáustica, es un hidróxido cáustico usado en la industria principalmente como una base química.

A temperatura ambiente, el hidróxido de sodio es un sólido blanco cristalino sin olor que absorbe la humedad del aire (higroscópico). Es una sustancia manufacturada. Cuando se disuelve en agua o se neutraliza con un ácido libera una gran cantidad de calor que puede ser suficiente como para encender materiales combustibles. El hidróxido de sodio es muy corrosivo. Generalmente se usa en forma sólida o como una solución de 50 %

/El hidróxido de sodio, en su mayoría, se sintetiza por el método de caustificación, es decir, juntando otro hidróxido con un compuesto de sodio:

Modernamente es fabricado por electrólisis de una solución acuosa de cloruro sódico o salmuera.

AGUA DESTILADA:

El agua destilada es aquella sustancia cuya composición se basa en la unidad de moléculas de H2O y ha sido purificada mediante destilación.

Estado físico: Líquido.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

CARACTERÍSTICAS QUIMICAS

Color: blanco Formula: NaOH

Estado: sólidoOlor: No tiene olor

Tipo de reacción: corrosiva, exotérmica

Punto de Fusión: 318° C

Fusión Química: Hidróxido

Punto de Ebullición: 1390° C

pH > 13 (sol. 0,5 %)

Masa: 58.4 u (u: unidad de masa atómica)

Solubilidad: 420 g/l (0 ºC). Soluble en alcohol y glicerol.

Densidad: 2200 kg/m3: 2,2 g/cm3

Composición: usada de forma sólida o como una solución de 50%.

3.2. EQUIPOS: Tamiz #200 Vaso de precipitados Horno eléctrico Molde de madera o metal (5x5) Balanza eléctrica Plástico Liga Guantes quirúrgicos Mascarilla Pipeta Agitador Vaselina Recipiente de acero inoxidable

4. METODOLOGIA:

Los geopolímeros fueron producidos a partir de la activación de la ceniza volcánica provenientes de la ciudad de Arequipa.

Teniendo una composición química de:

COMPONENTE CANTIDAD %

CaO 5.08MgO 2.43K2O 1.38

CARACTERISTICAS FISICO QUIMICASColor: Incoloro Porcentaje de volatilidad: N/D

Olor: Inodoro. Presión de vapor (mm Hg 20°C): 17.5

Peso molecular (g/mol): 18.0153

Densidad (kg/m3): 1000

Solubilidad en agua: Soluble 100%

Temperatura de auto ignición (°C): N/A

pH: 6.0 - 7.0 Temperatura de inflamación (°C) N/A

Temperatura de ebullición (°C): 100

Temperatura de fusión (°C): N/A

Na2O 4.33TiO2 0.59Al2O3 17.48SiO2 62.51Fe2O3 5.35MnO 0.07

Como agente alcalino se utilizó una solución de NaOH y una solución de silicato de sodio. La síntesis de los geopolímeros se inició agregando el aluminosilicato (ceniza volcanica) a la solución del agente alcalino.

4.1. PROCEDIMIENTO:

1ER PASO

2DO PASO

Primeramente realizamos un tamizado de la ceniza

volcánica.

Obteniendo así una muestra de: - 200

Preparamos una solución de hidróxido de sodio y silicato

de sodio

Para ello, pesamos 80 gr. de hidróxido de sodio

Aparte pesamos 72.54 gr. de silicato de sodio

Esta tiene que estar bien disuelta para luego

ser usado o guardado

3ER PASO

4TO PASO

PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS

OJO: EN CASO DE QUE SE HAYA PREPARADO MAYOR CANTIDAD DE SOLUCION PUEDE SER GUARDADO EN UNA BOTELLA DE VIDRIO Y EN UN LUGAR QUE NO ESTE EXPUESTO A LA LUZ

MBBBNN

TAMBIEN SE HA REALIZADO LA LECTURA DE LA DENSIDAD DE LA CENIZA

VOLCANICA

PARA ELLO REALIZAMOS LA MEDICION DEL RECIPIENTE Y COLOCAMOS EN EL VASO POCO A POCO LA CENIZA VOLCANICA

TENIENDO LAS MEDIDAS Y EL PESO DE LA CENIZA EN EL RECIPIENTE,

CALCULAMOS LA DENSIDAD RELATIVA DE LA CENIZA

PRIMERO:

PESAMOS 168.48 gr. DE CENIZA VOLCANICA PARA LA PREPARACION DE LA MUESTRA OBTENIDA

SEGUNDO:

PESAMOS DE IGUAL MANERA 38.64 gr. GR DE LA SOLUCION PREPARADA ANTERIORMENTE DE

NaOH

CUARTO:

EN CASO DE QUE ESTE UN POCO SECO, AGREGARLE UNOS GRAMOS

DE AGUA.

EN ESTE CASO SE HA USADO 10 GR DE AGUA

TERCERO:

REALIZAMOS LA MEZCLA EN UN RECIPIENTE, USANDO UNA ESPATULA Y PARA PROTECCION DE LAS MANOS ES

RECOMENDABLE USAR GUANTES QUIRUGICOS, SI ES POSIBLE USAR TAMBIEN

MASCARILLA

Y FINALMENTE COLOCAMOS LA MUESTRA PREPARADA EN EL MOLDE EL CUAL DEBE ESTAR BAÑADO CON BASELINA POR LA PARTE INTERNA (PARA UN DESPRENDIMIENTO CON

MAYOR FACILIDAD DESPUES DE SACAR LA MUESTRA DEL HORNO).

PERO EN ESTE CASO NO SE HA USADO LA BASELINA

LUEGO ES SELLADA CON UN PLSTICO Y SUGETADA POR UNA LIGA PARA QUE

ESTE NO SE HABRA Y FINALMENTE ESTE MOLDE ES COLOCADA AL HORNO POR 24

HORAS DESPUES DE LLEGAR A LA TEMPERATURA DE 60 °C

De cada mezcla se elaboraron cuadrados de 5 cm de largo y 5 cm de ancho para utilizar en los ensayos de resistencia a compresión al pasar los 7 dias después de haber extraido la muestra del horno (después de un secado de 24 horas)

Para este se usó una muestra de madera de 5 DE DIAMETRO

5. RESULTADOS:

ANALISIS GRANULOMETRICO

UBICACIÓN: AREQUIPA – AREQUIPA - ALTO SELVA ALEGRE

Análisis del agregado fino Cantera: Alto Selva Alegre Peso específico: 2.73 gr/cm3

Humedad Natural: 2.81 % % de absorción: 0,70 % Peso volumétrico suelto: 1,588 kg/m3 Peso volumétrico compacto: 1,667 kg/m3

ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE LA CENIZA VOLCANICA

Peso total de la muestra seca: 500 gr

MALLAS O TAMICES

PESO RETENIDO GR

%RETENIDO GR % QUE PASA

% RETENIDO ACUMULADO

30 0 0 100 050 200.00 20.00 80 20.00

100 100.00 10.00 20 80.00200 200.00 20.00 0.00 100.00

FONDO 0.00 0.00 0.00 100.00

FINALMENTE ES RETIRADA Y

LLEVADA A UN ENSAYO DE

COMPRESION DESPUES DE 7 DIAS

DE SECADO

ABERTURA DEL

TAMIZ (mm)

% QUE PASA

0.6mm( N°30) 100

0.25mm (N°50) 80

0.15mm (N°100) 20

0.074mm(N°200) 0.00

GRAFICA DE ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO

Análisis de Muestras 01 y 02

Muestra 1ra Muestra (gr.) 2da Muestra (gr.)

Ceniza Volcánica (CV) 168.48 196.80

NaOH 38.64 30.60

Na2SiO3 92.68 72.54

Agua (H2O) - 10.00

Total 299.80 309.94

Relación de Muestras

Muestras 1ra Muestra 2da Muestra

C.V. / Activantes 1.28 1.90

NaOH / Na2SiO3 0.42 0.42

Densidad Aparente (Resultado)

Calculo:

Diámetro: 63.31 mm Altura: 47.48 mm

Volumen: 144597.02 mm3 = 144.59702 cm3

Densidad Aparente: Masa ceniza / volumen = 169.93 / 144.59702

Densidad Aparente Experimental: 1.1752 gr/cm3

Densidad Bibliográfica: 2 gr/cm3

ENSAYO DE COMPRESION

Resistencia a la compresión de las muestras en función la relación solución

(NAOH y silicato)/ceniza volcánica para un tamaño de agregado (ceniza

volcánica) de 2 milímetros de diámetro, a un tiempo de fraguado de 7 días.

Antes de ponerlo al ensayo de compresión se lo lija la probeta.

Se trabajó con una velocidad de 3.5m/s.

CUADRO 1: RESISTENCIA (KG/CM2)

Ítem Nombre Resistencia

1 Concreto normal

2 Concreto con ceniza volcánica

32 (kg/cm2)

TABLA DE DATOS DEL ENSAYO DE COMPRESIÓN

Probeta 1:

ITEM

probeta FechaEdad

(días)

Ancho

(cm)

largo

(cm)

sección transvers

al

(cm2)

carga

(kg)

resistencia

(kg/cm2)elemento

Vaciado Rotura

1 m-1 04/02/2015

12/02/2015

8 5.00 5.20 26.0 820 32

6. DISCUSION DE RESULTADOS:En relación a la resistencia a compresión, comparando con muestras de CPO (Cemento Portland Ordinario) la ceniza volcánica presenta baja resistencia, siendo esta de 3.14 MPa en comparación al CPO que es de 232 MPa según norma.Otro factor que no se tomó en cuenta fue el curado de la muestra sometido a humedad, ya que esta generaría porosidad en el material a ensayar, por ende se optó por someterlo a curado a temperatura ambiente por un tiempo de 7 días. A más días de curado la resistencia pudo ser mayor en la muestra.Con respecto a la densidad de la ceniza, bibliográficamente presenta una densidad de entre o.5 a 2 gr/cm3, la densidad aparente hallada fue de 1.17 gr/cm3, lo que nos indicaría que estamos frente a una muestra con impurezas presente (piedra pómez).

7. CONCLUSIONES:

Se pudo conocer que la resistencia a la compresión del geopolímero se ve aumentar con la concentración de NaOH, a su vez también se vio que para condiciones de humedad la resistencia a la compresión disminuye. También se considera que la presencia de silicato de sodio no tiene una influencia importante en el mecanismo de endurecimiento en esta mezcla, debido a que la ceniza volcánica contiene una cantidad significativa de SiO2.

A través del ensayo realizado se puede concluir que el bloque presenta alta resistencia a la compresión, de la misma forma se puede determinar qué tan resistente es el material cuando este es sometido a carga axial. Se observó que la solución (NaOH – Na2SiO3) ayuda a incrementar la resistencia mecánica. La muestra testigo obtuvo una resistencia a la compresión de 3.14 MPa. Esta conducta es debida al mecanismo de reforzamiento del agregado del silicato y NaOH en el cual la fuerza

aplicada es distribuida y transmitida hacia la solución (NaOH – Na2SiO3) a través de las fases de la ceniza.

A través de la práctica se pudo observar en la 1ra muestra que al no habaer trabajado con agua, la muestra al ser sometida a temperatura para su curado no se logró completar el mismo, en relación a la 2da muestra donde sí se agregó la cantidad de 10 gr de agua, dando por consecuencia mejoras al momento de trabajar la mezcla y someterla a temperatura de curado, en este caso el agua cumplió un factor importante para la contracción del material evitando así una deshidratación en la misma. A su vez, el aumento de la concentración de NaOH, pudo mejorar el comportamiento mecánico de la muestra al momento de ensayarla, ya que de acuerdo a la literatura investigada mayores concentraciones de la misma ayudan sustancialmente en la formación de la red de gel, ya que el ion OH- actúa como catalizador mientras que el Na actúa como formador de red.

Si bien es cierto que un material geopolimerico es usado como alternativa de cambio frente a un CPO (cemento portland ordinario), en el caso visto de ceniza volcánica no fue significativo el resultado esto debido a la posible presencia de impurezas propias de la zona de donde se extrajo el material.