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Evaluacion Mecanica y Ambiental del Uso de Ceniza Volante con Activacion Alcalina como Alternativa de Reemplazo Total del Cemento en la Elaboracion de Tabletas Prefabricadas.

Mechanical and Environmental Assessment of the Use of Fly Ash with Alkaline Activation as an Alternative to Total Replacement of Cement in the Manufacture of Prefabricated Tablets

INTRODUCCION

La produccion de cemento Portland a nivel global ha significado la extraccion, transformacion y disminucion de recursos naturales y ha promovido un aumento en impactos ambientales significativos en cada una de sus etapas de fabricacion, generando la liberacion de aproximadamente 0,85 Kg de CO2 a la atmosfera por cada kilogramo de cemento procesado representando 5-7% de las emisiones globales de CO2 (Khan et al., 2016), adicionalmente se requieren 3400 MJ/Ton para su elaboracion que corresponden a 2,50 % de la energia mundial utilizada (Hoyos-Montilla et al., 2018). En Colombia la produccion del cemento Portland destinada a prefabricados es de aproximadamente 280,52 Ton/ano (Dane, 2018a), representando un papel fundamental como materia prima para el desarrollo y crecimiento de la economia colombiana aportando cerca del 7,28% al PIB del pais (Dane, 2018b).

El aporte mas relevante de emisiones de CO2 por la industria del cemento es debido a la descarbonatacion de la piedra caliza por exposicion a elevadas temperaturas generando CO2 y CaO (Sanchez Soloaga et al., 2012), por tanto se debe tener como prioridad la sustitucion del uso de caliza para aliviar parcialmente tal situacion y utilizar materiales alternativos cementosos de reemplazo parcial o total del cemento Portland tales como los geopolimeros. En la implementacion de dichos materiales se utiliza ceniza volante, subproducto de la quema de carbon pulverizado en centrales termoelectricas expuesto a temperaturas entre 1200 y 1700[grados]C, compuesto principalmente por minerales no combustibles en forma de finas cenosferas retenidas por filtros que evitan su emision a la atmosfera (Mejia et al., 2014). La produccion de ceniza volante a nivel global es significativa dado que el 37% de la electricidad mundial se obtiene con carbon (World Coal Association, 2018), por el contrario en Colombia

la generacion de energia electrica se concentra principalmente por hidroelectricas con una participacion del 63,90%, seguidas de termoelectricas a base de gas natural con 26,30% y finalmente se encuentran las termoelectricas a base de carbon abarcando 4,80%, las cuales producen aproximadamente 600 KTon/ano de ceniza volante de calidad variable, en su gran mayoria no se esta aprovechando adecuadamente y se constituye en un problema ambiental (Upme, 2015).

Por otro lado, investigaciones recientes han demostrado que para la geopolimerizacion de ceniza volante el tamano maximo de particula debe ser de aproximadamente 150-250 [micron]m, contemplando una morfologia esferica y estructura amorfa con alto contenido de silice y oxido de aluminio (Rieger et al., 2017). Estos son liberados durante el proceso de geopolimerizacion debido al ambiente altamente alcalino proporcionado por las soluciones activadoras las cuales son alcalis solubles que generalmente estan compuestas de sodio y/o potasio (Azevedo y Strecker, 2017). La solucion alcalina controla la division de los enlaces Si-O y Al-O produciendo el endurecimiento del geopolimero por medio del mecanismo de policondensacion (Rieger et al., 2017). El tipo y nivel de concentracion del activador influyen significativamente en las propiedades mecanicas y microestructurales de los geopolimeros (Yousefi Oderji et al., 2017). En consecuencia la utilizacion de un activador compuesto de solucion de hidroxido de sodio (NaOH) y silicato de sodio (Na2SiO3) proporciona mejores propiedades mecanicas que el uso unico de la solucion activadora de NaOH (Lazarescu et al., 2017). La adicion del Na2SiO3 a la solucion de NaOH incrementa la resistencia del geopolimero aumentando las relaciones SiO2 / Al2O3 y SiO2 / Na2O que proporcionan finalmente la formacion de mas enlaces Si-O-Si en el producto final (Bhagath Singh y Subramaniam, 2017a).

Los parametros mas influyentes en la produccion de geopolimeros de ceniza volante activada alcalinamente son, concentracion de NaOH, temperatura de curado, edad de curado, relacion de la solucion activadora (Na2SiO3 / NaOH) y proporcion activador alcalino / ceniza volante (AA/CV). Lazarescu et al., (2017) en su investigacion sugieren proporciones de solucion de Na2SiO3/NaOH en el rango de 0,40 a 2,50 y relaciones (AA/CV) entre 0,50 y 3. Para evitar resultados adversos de la resistencia del material geopolimerico se debe tener en cuenta la concentracion de NaOH en un rango optimo de 8 a 16 M (Saloma et al., 2016; Lazarescu et al., 2017). Segun Hoyos-Montilla et al., (2018) cuando la molaridad de NaOH es baja se forman pocos nucleos y el flujo maximo de calor disminuye por tanto el aumento de la cantidad del NaOH es directamente proporcional al flujo maximo de calor. La temperatura de curado es un precursor para que la reaccion de geopolimerizacion se obtenga en un tiempo optimo. A temperatura ambiente el proceso de disolucion de la ceniza volante en una solucion alcalina no ocurre inmediatamente debido a la barrera energetica de activacion generando que la pasta tarde en endurecer (Chithiraputhiran y Neithalath, 2013). Por el contrario al aumentar la temperatura ocurre policondensacion, proceso de formacion de geles que proporcionan la resistencia mecanica (Chithiraputhiran y Neithalath, 2013). Segun estudios previos el rango optimo de curado es de 60[grados]C a 85[grados]C (Bhagath Singh y Subramaniam, 2017b). Sin embargo, no se descarta que a temperatura ambiente se logre dicha reaccion.

Teniendo en cuenta la importancia que tiene la implementacion de materiales sostenibles en la sustitucion del cemento Portland para la disminucion de emisiones de CO2-eq a la atmosfera, se ejecutan medidas de reduccion y/o compensacion de emisiones. El calculo de la huella de carbono se convierte en un indicador para determinar impactos y su posterior disminucion y asi cuantificar la cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) asociadas al ciclo de vida de un producto, para determinar su contribucion al cambio climatico (Espindola y Valderrama, 2012). Debido al interes de la poblacion mundial frente a esta problematica ambiental se han creado metodologias para el calculo de la huella de carbono. En el reporte de la Comision Europea se resaltan cuatro procedimientos principales para la estimacion de la huella de carbono en empresas, organizaciones, servicios, procesos y productos. Los cuales son, protocolo de gases efecto invernadero, balance de carbono, PAS 2050 y metodo compuesto de las cuentas contables (European Comission DG Environment, 2010). Para el calculo de la huella de carbono de un producto es comunmente usado el metodo de las Especificaciones Publicamente Disponibles (Publicly Available Specification), llamado PAS 2050, elaborado en el ano 2007 por el Instituto Britanico de Estandarizacion. Esta enfocado al calculo de emisiones de productos y servicios por medio del analisis del ciclo de vida y huella de carbono (Espindola y Valderrama, 2012; PAS 2050, 2014).

Esta investigacion pretende determinar la mezcla geopolimerica optima que cumpla con los requisitos de los ensayos mecanicos de resistencia a la compresion y modulo de rotura. Esto con el fin de utilizar ceniza volante activada alcalinamente como reemplazo total del cemento Portland en la elaboracion de tabletas prefabricadas y asi evaluar su viabilidad ambiental en terminos de huella de carbono. Cabe resaltar que cualquier ensayo mecanico para tabletas prefabricadas que no se haya mencionado, no hace parte de esta investigacion y estara sujeto a futuras investigaciones.

MATERIALES Y METODOS

Se describen los materiales utilizados involucrando sus caracteristicas fisicoquimicas, el procedimiento experimental para la creacion de las muestras de cemento Portland y ceniza volante y finalmente los metodos de prueba y caracterizaciones realizados.

Materiales utilizados

La ceniza volante utilizada fue suministrada por la planta termoelectrica de Termozipa ubicada en Zipaquira Colombia, la composicion quimica que se muestra en la Tabla 1 se determino por medio del espectrometro de fluorescencia de rayos X (XRF). Los componentes de oxidos de silice, aluminio y hierro son aproximadamente de 84% cumpliendo con lo establecido en la (ASTM C618-12, 2014), (>70%) para ceniza volante tipo F. Se realizaron las pruebas fisicas de densidad y finura segun lo estipulado por la (ASTM C311, 2015) arrojando valores de 2229 Kg/[m.sub.3] y 31% respectivamente, indicando que la ceniza volante utilizada es optima para ser activada alcalinamente.

La solucion alcalina se elaboro mezclando a diferentes proporciones solucion de silicato de sodio ([Na.sub.2]Si[O.sub.3]), compuesto de 28,18% Si[O.sub.2], 8,62%, [Na.sub.2]O y [H.sub.2]O 63,20% con hidroxido de sodio (NaOH) al 98,50% de pureza a diferentes molaridades. La preparacion del hidroxido de sodio se realizo disolviendo granulos de NaOH en un litro de agua desionizada dependiendo la molaridad seleccionada. La solucion se dejo reposar por 24 h antes de su utilizacion. Se utilizo cemento Portland tipo I (ASTM C150, 2014) segun informacion entregada por el fabricante Cemex, tiene superficie especifica Blaine de 3000 [cm.sup.2]/gr y resistencia minima a la compresion a 28 dias de 24 MPa, su densidad calculada fue de 3100 kg/[m.sup.3]. La arena de rio fue suministrada por el deposito de materiales la concordia Ltda. Se realizaron pruebas de caracterizacion densidad, humedad total y porcentaje de arcilla, las cuales obtuvieron como resultado 2394 Kg/[m.sup.3], 8,93% y 2,23% respectivamente. La granulometria se muestra en la Fig. 1 donde se compararon los resultados obtenidos con los rangos minimos y maximos establecidos en la (ASTM C33, 2018).

Procedimiento experimental

Los morteros de cemento Portland se prepararon a una relacion cemento/arena de 1:2,75 segun (ASTM C109M, 2016). La relacion agua/cemento (A/C) fue determinada por la prueba de fluidez arrojando un valor A/C 0,48. La mezcla se realizo en un mezclador Humboldt H-3853.3F. Primero se mezclo el cemento y la arena durante 1 minuto a una velocidad de (285 [+ o -] 10 rpm), luego se agrego el agua y se mezclo por 5 minutos a la misma velocidad. Los morteros se vertieron en moldes de 0,50 [m.sup.3], estos fueron golpeados 32 veces en dos capas para eliminar el aire atrapado y se dejaron fraguar durante 24 horas a temperatura ambiente. Los cubos desmoldados se curaron en ambiente humedo durante 7, 14 y 28 dias.

La fabricacion de morteros de ceniza volante activada alcalinamente se realizo por medio de un plan experimental donde se tuvieron en cuenta tres variables, concentraciones de NaOH, relaciones activador alcalino / ceniza volante (AA/CV) y Na2Si[O.sub.3]/NaOH. Las concentraciones de NaOH fueron de 8, 10 y 12 M establecidas segun Saloma et al., (2016); Lazarescu et al., (2017), las relaciones AA/CV se determinaron de 0,40; 0,45; 0,50; 0,60 y finalmente las proporciones de [Na.sub.2]Si[O.sub.3[/NaOH fueron de 1; 1,50; 2 y 2,50. Se realizaron 16 composiciones diferentes por cada una de las concentraciones de (NaOH) tal como se muestra en la Tabla 2. Los tiempos de curado fueron de 24 horas a 80[grados]C y 7,14 y 28 dias a temperatura ambiente arrojando un total de 576 muestras realizadas. Las 16 proporciones de muestra se mantuvieron para las molaridades de 8,10 y 12 M .Durante el curado las muestras se sellaron con plastico con el fin de garantizar condiciones de humedad. La relacion ceniza volante/arena fue de 1:2,75 tal como lo especifica la (ASTM C109M, 2016) reemplazando el cemento por ceniza volante.

La nomenclatura de las muestras se clasifico por medio de tres grupos, grupo A (GA) constituye a concentracion de NaOH de 8M, grupo B (GB) concentracion NaOH 10M y grupo C (GC) concentracion NaOH 12M. Cada grupo fue curado a diferentes edades 24 h a 80[grados]C, 7, 14 y 28 dias a temperatura ambiente. Por tanto, a los terminos de las muestras se les agrego al final la edad de curado. Ejemplo 1, la muestra GA1-24h corresponde a la mezcla G1 expuesta en la Tabla 2 con concentracion NaOH 8M y tiempo de curado de 24h a 80[grados]C. Ejemplo 2, la muestra GB2-7d corresponde a la mezcla G2 de la Tabla 2 con concentracion NaOH 10M y edad de 7dias.

La mezcla se realizo pesando ceniza volante, arena y activadores alcalinos. Se vertio la ceniza volante y arena en un mezclador Humboldt H-3853.3F con capacidad de 0,005 [m.sup.3], donde se mezclo durante tres minutos a velocidad de (140 [+ o -] 5 rpm). Se agrego la solucion de activador alcalino y se mezclo por 5 minutos a una velocidad de (285 [+ o -] 10 rpm) hasta que la muestra se homogenizo totalmente. Se deposito la mezcla en cubos de 0,05x0,05x0,05 m por cada relacion establecida por medio de 32 golpes a tres capas para eliminar las burbujas de aire atrapadas y lograr unificar adecuadamente la mezcla. A partir del mortero que obtuvo mayor resistencia a la compresion, se crearon tres tabletas prefabricadas de mortero de ceniza volante activada alcalinamente con los parametros de diseno segun la Norma Tecnica Colombiana 4992 (NTC 4992, 2004).

Metodos de prueba y caracterizaciones

La determinacion de las densidades del cemento y ceniza volante se realizaron de acuerdo a la ASTM C188 utilizando el frasco de Le Chatelier, agregando 64 g de muestra a la misma temperatura de solucion kerosene, se tapo y se giro en circulos horizontales hasta evidenciar que las burbujas de aire hayan desaparecido, se volvio a sumergir en bano de agua a temperatura constante y se tomo la lectura final. La finura de la ceniza volante fue estimada mediante la ASTM C430-96, inicialmente se colocaron 1000 g de muestra de ceniza volante en el tamiz 45 [micron]m (No.325), se lavo la muestra con un chorro suave de agua, se retiro el tamiz de la boquilla rociadora y se ajusto la presion de esta a (69 [+ o -] 4 kPa). Se lavo nuevamente la muestra durante 1 minuto a dicha presion moviendo el tamiz en forma circular a una velocidad de (1 rps) y una distancia de 12 mm de la boquilla rociadora al tamiz. Se retiro el tamiz de la boquilla rociadora e inmediatamente se enjuago con agua destilada y se seco en la parte inferior con una toalla humeda. Finalmente se seco el tamiz a una temperatura aproximada de 55[grados]C por una hora, despues de enfriado se retiro el residuo del tamiz y se peso en una balanza analitica.

Para establecer la consistencia del cemento segun la ASTM C187, se mezclaron 650 g de cemento con agua, la mezcla se moldeo en forma de bola de tal manera que se pudo colocar con facilidad en el anillo Vicat. Se dejo descender el embolo hasta que hizo contacto con la pasta para tomar la lectura inicial. Se aflojo el tornillo fijador de la aguja y se contabilizaron 30 segundos para tomar la lectura final. Se vario la cantidad de agua en la mezcla hasta que la aguja penetro 10 mm despues de 30 segundos, arrojando un valor relacion A/C de 0,28. La fluidez del mortero de cemento se realizo en una mesa de flujo donde se coloco un molde de flujo en el centro. El mortero se fabrico segun (ASTM C109M, 2016) con relacion A/C de 0,48. Se vertio en el molde una capa de mortero de 25 mm de espesor compactada con 20 golpes. Se lleno el molde en dos capas y se corto el mortero sobrante hasta lograr una superficie plana. Pasados 60 segundos se levanto el molde del mortero e inmediatamente se dejo caer la mesa 25 veces en 15 segundos desde 13 mm de altura. Se midieron los diametros del mortero a lo largo del procedimiento para calcular el diametro promedio. Se realizo el mismo procedimiento para la fluidez de los disenos de mezcla de los dos morteros de ceniza volante que arrojaron mayor resistencia a la compresion, con el fin de comparar la fluidez de ambos materiales.

El ensayo de microscopia electronica de barrido (SEM) fue realizado para la ceniza volante en polvo por medio de un microscopio electronico de barrido (SEM) FEI Quanta 200-R con espectroscopia de rayos X de energia dispersiva (EDS). El procedimiento inicio colocando pequenas cantidades de muestra en una cinta de carbono que se unio a un trozo de acero inoxidable. Se recogieron las imagenes SEM usando un detector de deriva de silicio con un area activa de 2,50 x [10.sup.-5] [m.sup.2] a un voltaje de aceleracion de 15000V con una distancia de trabajo de 0,02 m durante el analisis EDS. La prueba de resistencia a la compresion fue determinada de acuerdo la (ASTM C109, 2016). Se realizo utilizando una maquina de prueba universal United con capacidad de 1000 KN a una velocidad de carga de 1600 N/s, ancho para ensayo de 0,53 m, profundidad de 0,65 m y una altura maxima de tension y compresion de 0,64 m y 0,66 m respectivamente. Los morteros de cemento Portland fueron fallados a los 7,14 y 28 dias de curado bajo condiciones de humedad. Los morteros de ceniza volante activada alcalinamente se fallaron 24 horas despues de curado a 80[grados]C y 7, 14 y 28 dias a temperatura ambiente. El modulo de rotura se realizo para tabletas prefabricadas de morteros de ceniza volante activada alcalinamente con el fin de cumplir con la (NTC 4992, 2004). El ensayo se hizo por medio de la maquina de prueba universal United segun parametros establecidos en la (ASTM C348-14, 2014). Las tabletas prefabricadas fueron creadas a partir del diseno de mezcla del mortero que dio mayor resistencia a la compresion.

El calculo de la huella de carbono se determino por medio del metodo del ciclo de vida establecido por el (PAS 2050, 2014), para tabletas prefabricadas de mortero de cemento y de mortero de ceniza volante activada alcalinamente asumiendo un lote de 1000 kg para cada material.

Inicialmente se realizaron de manera grafica y esquematica las etapas productivas asociadas al ciclo de vida de un lote de tabletas prefabricadas de mortero de cemento Portland y mortero de ceniza volante activada alcalinamente como se evidencia en las Figs. 2 y 3 respectivamente. El proceso productivo del cemento Portland se determino realizando una visita a la planta Santa Rosa Cemex ubicada en el municipio de la Calera Cundinamarca con el fin de tener como base un proceso real.

Los limites del calculo de la huella de carbono se establecieron a partir del limite B2B (business to business) el cual se enfoca en terminar la estimacion de la huella de carbono cuando el producto abandona la empresa en la que se ha fabricado quedando por fuera del estudio el proceso de uso y etapa de fin de vida. Este limite fue escogido segun lo indicado en la regla de categoria de producto para el cemento y prefabricados de hormigon, definido por las Normas (UNE-EN 15804, 2012) y (UNE 127757, 2016).

Se definieron dos alcances segun el impacto directo e indirecto sobre la fabricacion de las tabletas prefabricadas. En el alcance 1 se involucraron las emisiones directas que ocurren de actividades relacionadas en la creacion de tabletas prefabricadas, mientras que en el alcance 2 se tuvieron en cuenta las emisiones indirectas derivadas de su fabricacion, pero generadas por otras entidades. A partir de las etapas productivas y los limites establecidos para la elaboracion de tabletas prefabricadas de cemento y ceniza volante activada alcalinamente, se realizo la recopilacion de datos que involucra las cantidades de material y energia implicadas en el ciclo de vida de cada producto y los factores de emision de los combustibles utilizados.

La recopilacion de datos de las tabletas prefabricadas de mortero de cemento fue basada en la visita a la planta Santa Rosa con el fin de obtener mayor precision. Para las tabletas prefabricadas de mortero de ceniza volante activada alcalinamente los datos se obtuvieron de forma teorica y del proceso practico realizado en la presente investigacion. Para el calculo de la huella de carbono se tuvieron en cuenta las etapas productivas descritas anteriormente con el fin de crear un balance de masa e identificar fuentes de energia y combustibles utilizados para la fabricacion de un lote equivalente a mil (1000) kilogramos. Los calculos se realizaron por medio de las ecuaciones 1 y 2 mostradas a continuacion.

CE = E x FE (1)

Donde CE es el C[O.sub.2] eq por consumo energetico (Kg C[O.sub.2] eq); y E es la electricidad generada (Wh);

CC = Q X EC X GWP (2)

FE es el factor de emision (Kg C[O.sub.2] eq/Wh)

Donde CC es el C[O.sub.2] eq por consumo de combustible (Kg C[O.sub.2] eq); Q es la cantidad de combustible quemado para llevar una actividad en particular; EC es el contenido de energia de los tipos especificos de combustible utilizados para llevar a cabo una actividad; y GWP es el potencial de calentamiento global total del tipo de combustible especifico.

RESULTADOS Y DISCUSION

Para una mejor comprension, los resultados obtenidos y sus respectivas discusiones se presentan en tres secciones: Microscopia electronica de barrido (SEM), propiedades mecanicas y huella de carbono.

Microscopia electronica de barrido (SEM)

En las Figs. 4 y 5 se presentan la morfologia y composicion de la muestra de ceniza volante. Se observan particulas esfericas con diferentes tamanos y particulas irregulares porosas que se pueden asociar con inquemados del carbon (Bautista-Ruiz et al., 2017), los cuales por su contenido de materia organica limitan la reaccion de geopolimerizacion (Velasquez Vallejo et al., 2007).

La Fig. 4 muestra los detalles morfologicos donde se aprecian algunas plerosferas con superficie esponjosa y alto contenido de cenosferas, tambien se observa que existen particulas con zonas brillantes producto de la retrodispersion de electrones. En la Fig. 5 se visualiza a mayor detalle una cenosfera de ceniza volante con predominancia en su composicion quimica de Si, Al, O y Fe, corroborando que la muestra tiene una porcion considerable de aluminosilicatos debido a la notable cantidad de cenosferas. Se deduce que la ceniza volante al entrar en un ambiente alcalino puede generar exitosamente enlaces Si-O-Si consecuencia de una apropiada geopolimerizacion.

Propiedades en estado fresco y endurecido

La fluidez de los morteros de cemento fue de 107% consecuencia de la relacion A/C de 0,48 lo que muestra que los morteros son de consistencia plastica y tienen buena manejabilidad para obtener resistencias adecuadas en la elaboracion de tabletas prefabricadas. Para los morteros de ceniza volante activada alcalinamente que obtuvieron mayor resistencia a la compresion (muestras GB6-24h y GB8-24h) la fluidez aumenta al disminuir la relacion AA/CV. Las muestras reportan fluidez de 95% y 75% respectivamente, esto se debe a que experimentalmente se observo que a mayor cantidad en masa de [Na.sub.2]Si[O.sub.3] las particulas de ceniza volante se conglomeran y no existe una homogeneizacion completa lo que produce una mezcla con dificil trabajabilidad. Al comparar ambos morteros se observa que la fluidez del mortero de cemento esta relacionada directamente con la relacion A/C, mientras que la fluidez del mortero de ceniza volante depende de la cantidad de [Na.sub.2]Si[O.sub.3].

Las resistencias a la compresion de los morteros de ceniza volante se presentan en la Fig. 6, donde se observan los comportamientos de estas al variar concentraciones de NaOH, relaciones AA/CV, proporciones [Na.sub.2]Si[O.sub.3] / NaOH, edades y tiempos de curado. Cada fila de graficas de arriba abajo corresponde en su orden a edades de 24 h a 80[grados]C, 7,14 y 28 dias a temperatura ambiente y de izquierda a derecha (columnas) indican las molaridades de NaOH de 8,10 y 12M.

En la Fig. 6 se evidencia que la mayor resistencia a la compresion se dio en la muestra GB6-24h siendo esta la mezcla optima deseada para la elaboracion de tabletas prefabricadas. Se observa que la concentracion del NaOH desempena un papel vital en el logro de la resistencia a la compresion. Esta aumenta significativamente cuando se utiliza una concentracion de NaOH a 10M, mas alla de que se presenta una declinacion en la resistencia cuando la concentracion aumenta a 12M y disminuye a 8M. La concentracion de NaOH a 10M proporciona un ambiente altamente alcalino (aumento optimo del PH) y la cantidad de [Na.sub.2]O en el medio, favoreciendo la disolucion de alumina (Al) y silice (Si) procedente de la ceniza, precursores principales de los compuestos que se producen en el proceso de hidratacion del cemento geopolimerico aumentando su resistencia a la compresion (Lizarazo-Marriaga et al., 2015). Sin embargo, al aumentar la concentracion de NaOH a 12M el proceso de geopolimerizacion es afectado por la cantidad excesiva de iones OH- arrojando resistencias bajas en comparacion con las dos molaridades anteriores, lo cual no es recomendable para aplicaciones de concretos que demanden altas resistencias.

Por otro lado, el efecto de la proporcion [Na.sub.2]Si[O.sub.3]/NaOH en la resistencia a la compresion de la muestra GB6-24h tiene un aumento significativo cuando la proporcion es de 1,50. Esto se puede atribuir a que la adecuada incorporacion de [Na.sub.2]Si[O.sub.3] en el sistema genera un aporte de silice adicional (Si[O.sub.2]) lo que conduce a formacion de mas enlaces Si-O-Si (Azevedo y Strecker, 2017; Lazarescu et al., 2017). Cuando la proporcion [Na.sub.2]Si[O.sub.3]/NaOH es de 2 y 2,50 la resistencia a la compresion disminuye porque el exceso de [Na.sub.2]Si[O.sub.3] produce mas iones de silicio ([Si.sup.4+]) y de sodio ([Na.sup.+]) de los requeridos, lo que puede saturar la matriz con iones libres produciendo una inadecuada geopolimerizacion (Hadi et al., 2018). De igual modo, cuando el [Si.sup.4+] y el [Na.sup.+] se reduce en el sistema la formacion de la estructura geopolimerica se afecta negativamente, lo que genera disminucion en la resistencia a la compresion (Hadi et al., 2018), tal como se evidencia en la relacion [Na.sub.2]Si[O.sub.3]/NaOH de 1.

Las relaciones AA/CV representan el peso total de las soluciones alcalinas ([Na.sub.2]Si[O.sub.3]/NaOH) sobre el peso de la ceniza volante. Los resultados mostraron que se obtuvo una mayor resistencia a la compresion cuando se utilizo relacion AA/CV 0,45 tal como sucedio en la mezcla optima hallada (GB6-24h). Esto se puede atribuir a que al introducir la porcion adecuada de activador alcalino a la ceniza volante el componente aluminosilicato de la ceniza es disuelto por la solucion alcalina formando gel aluminosilicato, completando exitosamente la etapa de gelacion y reorganizacion de los iones (Jimenez y Sanchez, 2007). Para relacion AA/CV 0,40 la resistencia a la compresion se reduce por la cantidad insuficiente del activador alcalino que se requiere para disolver las particulas de ceniza volante, lo que puede causar la formacion de un mortero con estructura no homogenea y particulas de ceniza volante sin reaccionar (Chi, 2015). Las relaciones AA/CV 0,50 y 0,60 tienen mejor trabajabilidad de la mezcla por la cantidad excesiva de activador alcalino que conduce a geopolimeros mas porosos (Jimenez y Sanchez, 2007). En consecuencia, es probable que el aumento de activador alcalino inhiba el proceso de geopolimerizacion y repercuta en la disminucion de la resistencia a la compresion (Hadi et al., 2018).

La Fig. 7 muestra las resistencias a la compresion de la mezcla optima de ceniza volante (GB6) curada a diferentes edades comparadas con las resistencias a la compresion obtenidas por el cemento Portland. El curado para la ceniza volante a la edad de 1 dia fue a 80[grados]C, para 7,14 y 28 dias las muestras se curaron a temperatura ambiente. Los resultados indican que los morteros de cemento Portland curados a temperatura ambiente presentan mejores resistencias a la compresion que los del geopolimero. Cuando la ceniza volante activada alcalinamente se cura a temperatura ambiente la reaccion de geopolimerizacion es mas lenta, (Palomo et al., 2004). En consecuencia, las resistencias optimas se obtienen en tiempos mas prolongados en comparacion con el cemento Portland. La resistencia adquirida por el cemento a 7 dias (13,55 MPa) la ceniza volante la alcanza a los 28 dias (16,02 MPa), para este caso el curado a temperatura ambiente para ceniza volante no es favorable en la industria de prefabricados.

Sin embargo, el mortero de ceniza volante curado a 24h a temperatura (80[grados]C) obtiene la resistencia minima para tabletas prefabricadas convencionales segun la (NTC 4992, 2004). El aumento de temperatura incrementa el contenido de silice, de modo que se altera la relacion Si/Al del gel aluminosilicato alcalino formado en la reaccion geopolimerica, lo que incide directamente en la ganancia de resistencia (Gorhan y Kurklu, 2014). Es decir, el mortero de ceniza volante adquiere resistencia de (24,46 MPa) en 24h mientras que el mortero de cemento tarda 14 dias. No obstante, las resistencias a la comprension continuan aumentando de forma mas lenta a lo largo del tiempo como sucede con los morteros de cemento Portland (Jimenez y Sanchez, 2007).

Aunque el hormigon de cemento Portland tambien se puede curar con temperatura inducida para obtener resistencias optimas en corto tiempo, esto puede generar efectos adversos. La rapida hidratacion del cemento produce desarrollo mecanico inicial favorable, pero retarda la hidratacion posterior de las particulas que inicialmente fueron hidratadas, produciendo desarrollo negativo de las resistencias mecanicas a medio y largo plazo (Jimenez y Sanchez, 2007). Por tanto el curado en condiciones de humedad para el cemento portland garantiza que la mayoria de particulas reaccionen exitosamente producto de alto contenido de humedad y temperatura en las muestras, traduciendose esto en buena resistencia a la compresion y durabilidad a largo plazo (Lizarazo et al., 2016). Por otro lado, la utilizacion de acelerantes tambien puede ayudar en la obtencion de resistencias a corto plazo para el cemento Portland, lo que puede aumentar los costos de produccion. Ahora bien, la implementacion de acelerantes en el cemento Portland no hace parte de la presente investigacion de manera que no se incluyo en los morteros estudiados.

En terminos generales, la implementacion de la ceniza volante en la industria de prefabricados podria competir directamente con el cemento Portland por la capacidad de obtener buenas resistencias en un tiempo mas corto. Finalmente, al realizar el ensayo modulo de rotura para tres tabletas prefabricadas de mortero de ceniza volante de la mezcla optima (GB6-24h) se obtiene un valor promedio de 7,45 MPa. Al igual que ocurre con la resistencia a la compresion las tabletas prefabricadas de ceniza volante cumplen con el valor minimo establecido por la (NTC 4992, 2004).

Huella de carbono

Para la cuantificacion de CO2 eq del alcance 1 en la fabricacion de tabletas prefabricadas de mortero de cemento se tuvo en cuenta la recepcion del cemento y la arena por parte de un deposito cercano a la Universidad de La Salle ubicado en Bogota Colombia. En las tabletas prefabricadas de mortero de ceniza volante se considero el transporte asociado al traslado de la ceniza volante desde la termoelectrica Termozipa hasta la Universidad de La Salle. Para calcular la cantidad de Kg CO2 eq de los alcances 1 y 2 para mil (1000) kilogramos de tabletas prefabricadas de cada material se usaron las ecuaciones. (1) y (2) teniendo en cuenta los tipos de combustibles, poderes calorificos y factores de emision establecidos para los combustibles colombianos (FECOC) (Upme, 2003).

En las Tablas 3 y 4 se presentan los resultados de las emisiones de CO2 eq obtenidos en la produccion de un lote de mil (1000) kilogramos de tabletas prefabricadas de cada material. En el calculo de la huella de carbono del alcance dos de las tabletas prefabricadas de mortero de cemento se tuvieron en cuenta las emisiones desde la extraccion de materias primas del cemento, datos obtenidos de la planta visitada. Para el calculo de la huella de carbono del alcance dos en las tabletas prefabricadas de ceniza volante no se tuvo en cuenta la extraccion de materias primas de los activadores alcalinos debido a que varia el valor dependiendo del lugar de extraccion, distancias y maquinaria utilizada.

Los resultados obtenidos indican que las tabletas prefabricadas de ceniza volante tienen una huella de carbono menor con respecto a las tabletas prefabricadas de cemento Portland como se puede evidenciar en la Fig. 8. En el alcance 1 a pesar de que los procesos son muy similares las tabletas prefabricadas de ceniza volante obtienen un valor mas alto de CO2 eq por la necesidad de utilizar el horno para curar las tabletas prefabricadas. Aunque en el presente estudio se realizo curado a temperatura ambiente en diferentes tiempos no se obtuvieron resistencias optimas. Sin embargo, (Kiran Kumar y Gopala Krishna Sastry, 2017) afirman que la ceniza volante puede obtener buenas resistencias a la compresion a temperatura ambiente adicionando materiales que aumenten la cantidad de silice a la mezcla. Por otro lado, el transporte utilizado para adquirir la ceniza volante aumenta las emisiones de CO2 eq porque este material solo se puede obtener en el lugar de origen, mientras que el cemento Portland puede ser adquirido en cualquier deposito de materiales.

Segun la Fig. 8 las emisiones del alcance 2 de las tabletas prefabricadas de ceniza volante activada alcalinamente son notablemente mas bajas que las fabricadas en cemento Portland. Esto se debe a que la materia prima (ceniza volante) es un residuo aprovechado de la produccion de energia. En consecuencia, al igual que (Chan et al., 2016) las emisiones de CO2 de la termoelectrica no se toman en cuenta por que el objetivo de la termoelectrica es producir energia y no ceniza volante. Por el contrario en la produccion de cemento Portland se generan emisiones por combustion y consumo energetico principalmente en los procesos de molienda, precalentamiento, calcinacion y enfriamiento, no obstante estas emisiones pueden ser reducidas implementando tecnologia con eficiencia energetica (Osorio et al., 2012). Por tanto, se comprueba que la incorporacion de ceniza volante en la industria de prefabricados es viable ambientalmente en terminos de huella de carbon generando una disminucion en emisiones totales de CO2 del 55% en comparacion con las tabletas prefabricadas de cemento Portland.

CONCLUSIONES

De acuerdo a los resultados se extraen las siguientes conclusiones principales: 1) este estudio demostro que el uso de ceniza volante generada por la combustion de carbon colombiano es apta para ser activada alcalinamente y obtener resistencias a la compresion y flexion similares a las del cemento Portland en tabletas prefabricadas; 2) los resultados mecanicos indicaron que al igual que los morteros de cemento Portland, las buenas propiedades mecanicas de los morteros de ceniza volante activada alcalinamente estan influenciadas por una adecuada dosificacion de la mezcla y condiciones de curado, por esta razon la muestra GB6-24h fue la mezcla optima deseada; 3) la ceniza volante activada alcalinamente es competitiva en la industria de tabletas prefabricadas cuando es curada a temperatura inducida (80[grados]C) porque se obtienen buenas resistencias a la compresion y modulo de rotura a edades cortas (1dia); 4) el calculo de la huella de carbono demostro que el uso de ceniza volante activada alcalinamente en tabletas prefabricadas reduce el 55% de emisiones de C[O.sub.2] eq en comparacion con el cemento Portland.

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642019000300067

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Laura C. Prieto (1) *, Andres A. Montano (1), Alejandro Parra (1), y Julian D. Puerto-Suarez (2)

(1) Universidad de La Salle, Facultad de Ingenieria, Programa de Ingenieria Ambiental y Sanitaria, Carrera 2 No. 10 70, Bogota D.C.-Colombia. (e-mail: lauraprieto35@unisalle.edu.co; mandres46@unisalle.edu.co; alparra@unisalle.edu.co).

(2) Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ingenieria, Departamento de Ingenieria Civil y Agricola, Carrera 45 No. 26-85, Bogota D.C.-Colombia. (e-mail: jdpuertos@unal.edu.co).

* Autor a quien debe ser enviada la correspondencia

Recibido Ago. 20, 2018; Aceptado Nov. 6, 2018; Version final Ene. 3, 2019, Publicado Jun. 2019

Leyenda: Fig. 1: Granulometria arena de rio.

Leyenda: Fig. 2: Proceso productivo para la obtencion de tabletas prefabricadas a base de cemento Portland.

Leyenda: Fig. 3: Proceso productivo para la obtencion de tabletas prefabricadas a base de ceniza volante.

Leyenda: Fig. 4: Imagen SEM con detalle de morfologia y diferentes componentes.

Leyenda: Fig. 5: Composicion quimica y morfologia de una particula de ceniza volante.

Leyenda: Fig. 6: Resistencias a la compresion de morteros de ceniza volante activada alcalinamente a diferentes edades de curado

Leyenda: Fig. 7: Resistencias a la compresion de morteros de ceniza volante activada alcalinamente y cemento Portland a diferentes tiempos de curado.

Leyenda: Fig. 8: Cuantificacion total de emisiones de C[O.sub.2]-eq.
Tabla 1 : Composicion quimica de ceniza volante. *LOI perdida por
ignicion a 950[grados]C.

Si[O.sub.2]     [Al.sub.2]     [Fe.sub.2]     CaO
                [O.sub.3]      [O.sub.3]

50,38             24,14           9,50       5,60

[Na.sub.2]O     [K.sub.2]O        MgO         MnO

0,59               2,15           1,93       0,09

Ti[O.sub.2]     S[O.sub.3]     [P.sub.2]     LOI*
                               [O.sub.5]

1,04               0,48           0,58       3,30

Tabla 2: Proporcion de la mezcla del mortero de geopolimero.

Muestra     Activador alcalino /        [Na.sub.2]
               ceniza volante       Si[O.sub.3] / NaOH

G1                  0,40                     1
G2                  0,45
G3                  0,50
G4                  0,60

G5                  0,40                   1,50
G6                  0,45
G7                  0,50
G8                  0,60

G9                  0,40                     2
G10                 0,45
G11                 0,50
G12                 0,60

G13                 0,40                   2,50
G14                 0,45
G15                 0,50
G16                 0,60

Tabla 3: Energia y emisiones de C[O.sub.2] para tabletas prefabricadas
de mortero de cemento Portland.

                                         Energia      Cantidad de
                                         (Wh/Kg)    combustible (Kg)
Alcance 2
Extraccion de materias primas                             0,13
Trituracion de materia prima              0,93
Prehomogenizacion                         1,50
Molienda de materia prima                 28,60
Homogeneizacion (mezcla en seco)          0,95
Precalentamiento, calcinacion y            100             98
  enfriamiento
Molienda del cemento                      39,70
Envase y embarque del producto             15
                                                        Subtotal
Alcance 1

Transporte de insumos del deposito                        0,36
  a laboratorios U. Salle
Mezcla de cemento, agua y agregados       2,55
Moldeado y vibro-comprimido de            1,39
  tableta                                               Subtotal
                                          Total

                                          Tipo de        Emision (Kg
                                        combustible    C[O.sub.2]-eq)
Alcance 2
Extraccion de materias primas              Diesel           0,40
Trituracion de materia prima                                0,35
Prehomogenizacion                                           0,56
Molienda de materia prima                                   10,70
Homogeneizacion (mezcla en seco)                            0,36
Precalentamiento, calcinacion y            Coque           324,05
  enfriamiento
Molienda del cemento                                        14,85
Envase y embarque del producto                              5,61
                                                           356,88
Alcance 1

Transporte de insumos del deposito        Gasolina          1,05
  a laboratorios U. Salle
Mezcla de cemento, agua y agregados                         0,95
Moldeado y vibro-comprimido de                              0,52
  tableta                                                   2,52
                                                           360,40

Tabla 4: Energia y emisiones de C[O.sub.2] para tabletas prefabricadas
de mortero de ceniza volante activada alcalinamente.

                                         Energia       Cantidad de
                                         (Wh/Kg)    combustible (Kg)

Alcance 2

Fundicion de arena de silice y                            30,75
  carbonato de sodio
  ([Na.sub.2]Si[O.sub.3])
Electrolisis de salmuera (NaOH)            75
                                                        Subtotal
Alcance 1

Transporte de ceniza volante a                            2,31
  laboratorios U.Salle
Mezcla de cemento, agua y arena           2,55
Moldeado y vibro-comprimido de            1,39
  tableta
Curado tableta (80[grados]C)              76,80
                                                        Subtotal
                                          Total

                                          Tipo de       Emision (Kg
                                        combustible    C[O.sub.2] eq)

Alcance 2

Fundicion de arena de silice y             Diesel           97,50
  carbonato de sodio
  ([Na.sub.2]Si[O.sub.3])
Electrolisis de salmuera (NaOH)                             28,05
                                                           125,55
Alcance 1

Transporte de ceniza volante a            Gasolina          6,79
  laboratorios U.Salle
Mezcla de cemento, agua y arena                             0,95
Moldeado y vibro-comprimido de                              0,52
  tableta
Curado tableta (80[grados]C)                                28,72
                                                            36,98
                                                           162,53
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Author:Prieto, Laura C.; Montano, Andres A.; Parra, Alejandro; Puerto-Suarez, Julian D.
Publication:Informacion Tecnologica
Date:Jun 1, 2019
Words:8331
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