INFLUENCIA DEL USO DE ADITIVOS EN LA ELABORACIÓN DE MORTEROS GEOPOLIMÉRICOS FABRICADOS CON UN RESIDUO DE VIDRIO (VCAS)

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1 INFLUENCIA DEL USO DE ADITIVOS EN LA ELABORACIÓN DE MORTEROS GEOPOLIMÉRICOS FABRICADOS CON UN RESIDUO DE VIDRIO (VCAS) C. CALVO J. PAYÁ M.V. BORRACHERO Arquitecta Prof. Eng. Civil Prof. Eng. Civil ICITECH-UPV ICITECH-UPV ICITECH-UPV Valencia, España Valencia, España Valencia. España RESUMO En este trabajo se analiza el efecto de dos tipos de aditivos comerciales (con distintos principios activos) en la fabricación de morteros geopoliméricos, a partir de un residuo de la industria del vidrio: Vitreous Calcium Aluminio- Silicate (VCAS). Para ello se han preparado morteros usando como material a activar el VCAS y como disolución activadora una mezcla de hidróxido sódico y silicato sódico. Se ha evaluado la influencia del tipo y porcentaje de aditivo añadido sobre la trabajabilidad de los morteros (medida por el método convencional en la mesa de sacudidas) y en las prestaciones mecánicas a las edades de 2, 7 y 28 días curados a 20ºC. 1. INTRODUCCIÓN Debido a la alta generación de gases de efecto invernadero que se produce en la fabricación del Clinker de Cemento Portland, cada vez más, se investiga sobre la búsqueda de materiales alternativos. Por ello, los conglomerantes basados en cementos de activación alcalina o geopolímeros ocupan una posición relevante en el campo de la investigación en materiales de construcción. Sin embargo, muchos de estos materiales, aun con muy buenas prestaciones mecánicas, pueden presentar problemas de trabajabilidad a la hora de su fabricación y puesta en obra. Al mismo tiempo, y en general, el empleo de aditivos comerciales convencionales no otorga mejoras debido principalmente a que la alta alcalinidad de estas matrices destruye los principios activos de dichos aditivos. Es por ello, que en la bibliografia se encuentran numerosas referencas donde se el comportamiento de matrices de cemento con diferentes aditivos, mientras que son menores las que hacen referencia al uso de aditivos químicos comerciales en pastas, morteros y hormigones activados alcalinamente [1] En condiciones de temperaturas ambiente la utilización de aditivos químicos es de gran ayuda para obtener trabajabilidades adecuadas y que la fluidez de las mezclas se mantenga el mayor tiempo posible, para así evitar problemas asociados a la reología de los morteros, tales como la fisuración y/o la reducción de sus propiedades mecánicas y de durabilidad [2]. La utilización de aditivos superplastificantes se ha hecho común en estos años ya que, por ejemplo los reductores de agua, tienen un efecto importante sobre la consistencia del hormigón sin llegar a producir fenómenos colaterales sobre las propiedades del homigón como la segregación [3-4]. La elevada alcalinidad de los morteros geopoliméricos o activados alcalinemanete, bloquea y modifica el efecto químico de los aditivos plastificantes. Autores como M. Palacios y F. Puertas han estudiado la estabilidad de distintos 1

2 aditivos superplastificantes en matrices activadas alcalinamente y también han analizado el efecto de aditivos reductores de la retracción en distintos medios, para evaluar los cambios estructurales que provocan dichos aditivos en este tipo de medios. [5-12] El estudio de estos aditivos se ha centrado en morteros activados alcalinamente, preparados a partir de escorias. Sin embargo, existen otros residuos que se pueden utilizar en la preparacion de morteros geopolimericos. Particularmente, en los ultimos años se ha utilizado con exito un residuo de la fabricacion de fibras de vidrio: el VCAS. Existen investigaciones donde se demuestra que a partir de este material, y usando distintas disoluciones alcalinas activadoras, se pueden obtener morteros geopolimericos con buenas resistencias mecánicas tanto en curados a 65ºC como a temperatura ambiente [13]. Sin embargo, a veces su reologia no permite el empleo de bajas relaciones agua/conglomerante. En este trabajo, y con el fin de mejorar la trabajabilidad de los morteros preparados con VCAS se ha analizado el efecto de dos tipos de aditivos comerciales (con distintos principios activos) denominados SK500 y SK380, en la fabricación de morteros geopoliméricos o de activación alcalina, usando como disolución activadora una mezcla de hidróxido sódico y silicato sódico, la adición de estos superfluidifcantes se ha realizado en distintos porcentajes respecto al contenido de conglomerante (0, 2, 3 y 5%). Se ha evaluado la influencia del tipo de aditivo y del porcentaje añadido a la solución activadora sobre la trabajabilidad de los morteros y su contribución en las prestaciones mecánicas a las edades de 2 y 28 días curados a 20ºC. 2. EXPERIMENTAL 2.1 MATERIALES Solución Activadora Se han utilizado mezclas de hidróxido sódico y silicato sódico, fijadas en trabajos previos [14-16].El hidróxido sodico utilizado de la casa PANREAC, tiene una pureza del 98 % mientras que la disolución de silicato sódico utilizada fue suministrada por la empresa MERK KGaA, con una densidad de 1.35 g/cm3, ph entre 11-11,5. La composición química media del silicato de sodio es de un 28% SiO 2 ; 8%Na 2 O; 64% H 2 O en masa Vitreous Calcium Aluminosilicate (VCAS) Este material silicoaluminoso es un residuo que proviene de la fabricacion de las fibras de vidrio. Se encuentra en estado vitreo y ha sido suministrado por la empresa Vitrominerals, S.A. Su composición química se muestra en la tabla 1. Tabla 1. Composición química del VCAS en %. P.F pérdida a fuego SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO Na 2 O K 2 O P.F Otros En la elaboración de los morteros se utilizó el producto con el tamaño de partícula que se observa en la tabla 2 sin ningún tratamiento previo o molienda necesario para la producción de los morteros. Tabla 2. Tamaño de partícul del VCAS en µm D medio (µm) D(0,1) (µm) D(0,5) (µm) D(0,9) (µm) Áridos En la preparación de los morteros se utilizó una arena de origen silíceo, procedente de la empresa Caolines Lapiedra (Lliria, Valencia España). La arena utilizada es similar a la normalizada CEN EN El árido utilizado presenta un porcentaje de humedad inferior al 0.1% y su distribución granulométrica es equivalente al especificado en la normativa, con un módulo de finura de 4.1 y una masa específica de 2680 Kg/m 3. 2

3 2.1.4 Aditivos Fluidificantes Los aditivos fluidificantes empleados han sido suministrado por la empresa Sika, S.L. El porcentaje de agua en ambos plastificantes es del y % respectivamente. Dicho dato es utilizado para rectificar el agua de amasado de las mezclas. 2.2 ELABORACIÓN DE LOS MORTEROS Para la elaboración de los morteros se utilizaron en todos ellos como material a activar el VCAS (450g), una relacion agua/vcas de 0.4 y una relación árido/vcas de 3 y en ausencia total de cemento portland. En la tabla 3, se muestran las dosificaciones empleadas en la disolución activadora y el porcentaje de plastificante adicionado para cada caso. Nomenclatura Mortero-%Aditivo Tabla 3. Composición de los morteros sin y con aditivo Aditivo Relación [Na+](mol/L) (%) agua/vca SiO 2 /Na 2 O (relación molar) S Control SK SK SK SK SK SK RESULTADOS Y DISCUSIÓN En este apartado se presentan los resultados obtenidos de trabajabilidad y resistencias mecánicas de las mezclas preparadas. 3.1 TRABAJABILIDAD DE LOS MORTEROS La trabajabilidad de los morteros se midió según UNE EN mediante la mesa de sacudidas. En la tabla 4 se muestran los resultados de las medidas de los diámetros de los morteros de VCAS, para cada uno de los aditivos utilizados y sus diferentes proporciones. Tabla 4. Trabajabilidad morteros con y sin aditivo Muestra Ø m (mm) Desviación estándar SK500-0% ±5 SK500-2% ±0.41 SK500-3% ±0.42 SK500-5% ±7 SK380-2% ±6 SK380-3% ±0.70 SK380-5% 150 ±0.41 Se puede observar que para cualquiera de los porcentajes empleados de aditivo en los morteros, el escurrimiento es superior que en el mortero control. A su vez, el aditivo SK380 aporta en todos sus porcentajes mayor escurrimiento a los morteros que en los que se empleó SK500. De este modo, se puede verificar que esos aditivos son beneficiosos en la reología de los morteros activados alcalinamente, ya que proporcionan una mayor trabajabilidad en las matrices en estado fresco. Cabe destacar que todos estos morteros fraguaron a las 24h en cámara húmeda a 20º por lo que, aun mejorando la trabajabilidad y modificando la reologia, la adicion en los porcentajes estudiados de estas sustancias, no afectan al fraguado a temperatura ambiente. 3

4 3.2 RESISTENCIA MECÁNICA DE LOS MORTEROS La determinación de la resistencia mecánica se realizó mediante la rotura de probetas prismáticas sometidas a flexotracción y porteriormente a compresión, según UNE EN Los datos obtenidos de los ensayos a flexotracción están en torno a 4.08±1.78 MPa a dos días y 5.32±1.07 MPa a 7 días de edad. Debido a la alta dispersión de los datos recopilados a tiempos cortos no se consideran datos concluyentes. Respecto a la resistencia a compresión las siguientes figuras 1 y 2 muestran la resistencia de las muestras para 2 y 7 días de curado (edades tempranas) de los morteros de VCAS con los diferentes aditivos empleados, para distintos porcentajes empleados SK500-2% SK500-3% SK500-5% Figura 1. Resistencia mecánica morteros SK500 (MPa) SK380-2% SK380-3% SK380-5% Figura 2. Resistencia mecánica morteros SK380 (MPa) Tal y como se puede observar en todos los porcentajes empleados en los morteros (2, 3 y 5%) tanto en los morteros de VCAS con SK500 como en los SK380, a la edad de 2 días, las muestras superan en resistencia a compresión al mortero control. Frente a 1.7 Mpa del mortero control, las muestras con SK500 con un 5% de aditivo obtienen 7.8 Mpa de resistencia a compresión. Superior respecto de la control como de las muestras con SK380. A 7 días de curado, las probetas con plastificante siguen presentando una resistencia superior al mortero control. Sin embargo, a esta edad, los morteros fabricados con SK-500 tienden a tener una resistencia a compresion ligeramente mayor que los morteros con SK-380, salvo el que contiene un 5% de aditivo. Por ejemplo, a 7 dias de curado el mortero control tiene una resistencia a compresión de 12.7Mpa y (ver figura 2), con el empleo del 2% del aditivo SK380 a esa misma edad llega a 35.8 Mpa y con SK500 alcanza 40.2Mpa, es decir más de 4

5 un 30% que el control. Por lo que para los morteros de ambos aditivos, la resistencia es superior a 7 días respecto del mortero control. Con el 3% de aditivo el aumento sigue siendo significativo respecto del control. Esta resistencia a compresión aumenta (para ambos plastificantes) respecto del control y de las muestras con 2% para la misma edad de 7 días. Lo más significatico es la mejora a 7 días del empleo de SK500 con el 3%, ya que respecto del 12.7Mpa del control alcanza un 42.4Mpa; más que el mortero con SK380 al 3%, que frente a los 12.7Mpa del control alcanza 36.3Mpa. Si se observan las figuras 3 y 4 a 28 días, el mortero control presenta una resistencia a compresión de 50.1Mpa y al emplear el aditivo SK500 en cualquiera de los tres porcentajes, la resistencia mecánica que alcanzan estas muestras se sitúa por debajo de la control. Sin embargo, y como muestra la figura 4, con el empleo del aditivo SK380 esta tendencia no se observa, ya que tanto para el 2 y el 5% en las muestras, la resistencia a compresión está por encima de la control. (50.6 y 55.2 Mpa respectivamente) SK500-2% SK500-3% SK500-5% Figura 3. Comparación resistencia mecánica morteros con SK500 a 28 días (MPa) SK380-2% SK380-3% SK380-5% Figura 4. Comparación resistencia mecánica morteros con SK380 a 28 días (MPa) La figura 5 muestra las imágenes obtenidas con microscopía electrónica de los morteros curados a 28días con y sin aditivo plastificante. Se detecta que la matriz presenta una estructura más compacta para las muestras con un 5% de aditivo que el control. 5

6 A (control) B (SK500) C (SK380) Figura 5. SEM 500 aumentos. Muestras VCAS con 5% de aditivo a 28 días 4. CONCLUSIONES La trabajabilidad de morteros geopolimericos, fabricados con VCAS y plastificantes comerciales es mayor que en el mortero control, fabricado en las mismas condiciones pero sin dichos plastificantes. Respecto de las resistencias a compresión, el empleo de estos aditivos para edades tempranas de 2 y 7 días mejora las prestaciones mecánicas respecto de la control. Sin embargo a 28días, las resistencias obtenidas con el 5% de aditivo son ligeramente menores.. A 28 días, las muestras con SK380 para los porcentajes de 2 y 5% mejoran las resistencias obtenidas respecto all mortero control. Por tanto, se puede considerar como apto para cualquiera de sus porcentajes el empleoo del aditivo SK-380 en morteros activados alcalinamente fabricados con VCAS, ya que mejora tanto su trabajabilidad como su resistencia mecánica. 5. REFERENCIAS [1] M. Palacios, F. Puertas. Effectf superplasticizer and Shinkage-reducing admixtures on alkali activated slag pastes and mortars.cement and Concrete Research 35 (2005) [2] UNE-EN 934:2:02. Aditivos para hormigones, morteros y pastas. Parte 2: Aditivos para hormigones. Definicioes y requisitos (2001).. [3] Jawed et al. Hydration of portland cement. Structure and performance of cements. Ed. Barnes, (1983).. [4] R. Rixmon, N. Mailvaganam. Chemical Admixures for concrete. Third Edition publiseh 1999 by E&FN Spon. [5] T. Bakharev, J.G. Sanjayan, Y-B. Cheng. Effect f admixtures on properties of alkali-activated salg concrete. Cement and Concrete Research 30 (2000) [6] Behzad Nematollahi, Jay Sanjayan. Effect of different superplasticizers and activator combinations on workability and strength of fly ash based geopolymer. Materials and Design 57 (2014) [7] M. Toledano-Prados el al. Effect of polycarboxylate superplasticizers on large amount of fly ash cements. Construcion and Building Materials 48 (2013) [8] M. Palacions, F. Puertas. Stability of superplasticizer and shrikage-reducing admixures in high basic media. Materiales de Construcción. VOl 4 nº [9] Cahit Bilim et al. Influence of admixtures on prperties of alkali-activated slag mortars subjected to different curing conditions. Materials and Design 44 (2013) [10] G. Xu et al. The effect of a polynaphthalene sulfonate superplasticizer on the contribution of the interfacial transition zone to the electrical resistivity of mortars containing silica limestone fine aggregate. Cement and Concrete Research 30 (2000) [11] M. Criado et al. Alkali activated fly ash: effect of admiztures on plaste rheology. Rheol Acta (2009) 48: [12] O. Burgos-Montes et al. Compatibility between superplasticizer admixtures and cements with mineral additions. Construction and Building Materials 31 (2012) [13] M. Mitsuuchi Tashima. Producción y caracterización de materiales cementantes a partir de Silicoaluminato Cálcico Vítreo (VCAS). Tesis Doctoral Universitat Politècnica de València, (2012). 6

7 [14] M. Mitsuuchi Tashima et al. Alkali activation of vtreous calcium aluminosilicate derived from glass fiber waste. Journal of Sustainable Cement-Based Materials. Vol. 1, No 3, September 2012, 83-93). [15] M. Mitsuuchi Tashima et al. Effect of curing on microstructure ans mechanical strength development of alkali activated binders based on vitreous calcium aluminosilicate (VCAS). Bull. Mater. Sci., Vol. 36, No , pp [16] M. Mitsuuchi Tashima et al. Novel geopolymeric material cured at room temperature. Advances in Applied Ceramics. Vol. 112, No. 4,