Caracterización de materiales cerámicos reciclados para su uso en cementos

Resumen

En la presente Tesis Doctoral se evalúa el efecto combinado de la activación térmica y la utilización del óxido de cinc como activador químico, así como la influencia de calcita en la reactividad del metakaolin (MK) procedente de la calcinación de una caolinita natural, caracterizando los productos de la reacción puzolánica y las transformaciones generadas en el tiempo para determinar su utilización como puzolana en la elaboración de cementos. En una primera etapa se lleva a cabo la caracterización química, mineralógica, morfológica, microestructural, comportamiento térmico y distribución de tamaños de grano en la caolinita natural. Según su composición mineralógica se eligen como temperaturas de calcinación para los estudios posteriores, 600ºC y 750ºC para determinar la influencia de la desagregación de MK en la puzolanidad de la caolinita natural. De forma análoga se estudian los productos obtenidos como resultado de la calcinación a 600ºC y 750ºC durante 2 horas de la caolinita natural y de una mezcla de caolinita natural con 1,0% de ZnO. Con la calcinación se incrementa la desagregación y aparece una alteración superficial de los materiales que potencia el activador químico sin participar en la reacción. El efecto del ZnO aumenta el área superficial, la porosidad y la superficie reactiva. Se estudia la actividad puzolánica en los distintos sistemas caolinita natural y mezclas activadas con cal a varios tiempos de reacción (1, 7, 28, 90 y 360 días). La caolinita natural y las mezclas activadas presentan alta actividad puzolánica hasta alcanzar su valor máximo a los 90 días de reacción. El aumento de la temperatura y la presencia de ZnO potencian la reactividad de la puzolana al favorecer la desagregación de sus constituyentes microgranulares. A 750ºC/2h y un año de reacción disminuye la reactividad de la puzolana por la formación, además, de óxidos dobles libres. Los productos de la reacción en los sistemas caolinita natural activada/cal consisten en fases amorfas de geles C-S-H y C-S-A-H, junto con otras cristalinas como moscovita 3T y compuestos tipo LDH (filosilicato/carbonato); estos últimos evolucionan hacia la formación de stratlingita, al transcurrir el tiempo de reacción. La calcinación a 750ºC/2h aumenta los contenidos de las fases reactivas y potencia la formación y evolución de los productos. En las mezclas activadas térmicamente, la presencia de ZnO inhibe la formación de compuestos tipo LDH (filosilicato/carbonato), siendo la stratlingita la fase estable de la reacción puzolánica a todos los tiempos. En todos los casos, el mecanismo de formación de los productos de la reacción es la nucleación heterogénea, ya que las estructuras de los materiales formados se desarrollan y crecen sobre un sustrato (agregado) que ejerce de soporte o núcleo de cristalización. Se detectan grupos carbonato en la estructura de la calcita y grupos carbonato en región interlaminar que neutralizan la carga positiva de esta región en las estructuras tipo LDH (filosilicato/carbonato). La modelización termodinámica de los sistemas caolinita natural y mezclas activadas/cal predicen la estabilidad de cada una de las fases generadas en dichos sistemas con el tiempo de reacción, poniendo de manifiesto que las fases de geles C-S-H son termodinámicamente estables a un día de reacción y evolucionando el sistema al campo de estabilidad de la stratlingita. En el sistema mezcla activada/cal la temperatura de calcinación controla las fases estables termodinámicamente; así, a 600ºC/2h, moscovita es la fase estable a un día de reacción, evolucionando el sistema al campo de estabilidad de la stratlingita, mientras que a 750ºC/2h, las fases estables son los geles C-S-H. La evolución y estabilidad de las fases hidratadas generadas durante la reacción puzolánica en los sistemas caolinita natural y mezclas con calcita activadas/cal es la última parte del estudio, en él se identifican como productos de la reacción después de 28 días, además de los geles C-S-H, moscovita 3T, compuestos tipo LDH (filosilicato/carbonato) y aluminato tetracálcico trece hidratado (C4AH13). Los geles CSH se desarrollan sobre los defectos estructurales de los filosilicatos que actúan como sustrato de crecimiento. En las mezclas con calcita, los geles C-S-H recubren la calcita formando agregados microlaminares, con alta superficie reactiva sobre la que nuclean los productos laminares de la reacción puzolánica. En las mezclas a 750ºC/2h, la mayor proporción de calcita modifica el aspecto de los geles C-S-H hacia formas esféricas y compactas, evitando las morfologías superficiales.