Un geopolímero es un material inorgánico , típicamente cerámico , que forma redes no cristalinas ( amorfas ) unidas covalentemente . Muchos geopolímeros también pueden clasificarse como cementos activados con álcalis o aglutinantes activados con ácidos. Se producen principalmente mediante una reacción química entre un polvo de aluminosilicato químicamente reactivo (por ejemplo, metacaolín u otros polvos derivados de arcilla, puzolana natural o vidrios adecuados) y una solución acuosa ( alcalina o ácida ) que hace que este polvo reaccione y vuelva a formar un monolito sólido. La vía más común para producir geopolímeros es mediante la reacción del metacaolín con silicato de sodio , que es una solución alcalina, pero también son posibles otros procesos. [1]
Los geopolímeros producidos comercialmente pueden usarse para recubrimientos y adhesivos resistentes al fuego y al calor, aplicaciones medicinales, cerámicas de alta temperatura, nuevos aglutinantes para compuestos de fibras resistentes al fuego, encapsulación de desechos tóxicos y radiactivos y como componentes cementantes en la fabricación o reparación. hormigones. Las propiedades y usos de los geopolímeros se están explorando en muchas disciplinas científicas e industriales: química inorgánica moderna , química física , química de coloides , mineralogía , geología y en otros tipos de tecnologías de procesos de ingeniería.
Las materias primas originales utilizadas en la síntesis de geopolímeros eran principalmente minerales formadores de rocas de origen geológico, de ahí el nombre: geopolímero fue acuñado por Joseph Davidovits en 1978. [2] Estos materiales y la terminología asociada se popularizaron durante las décadas siguientes a través de su colaborar con el Institut Géopolymère (Instituto de Geopolímeros).
Los geopolímeros se pueden sintetizar en una de dos condiciones:
La ruta alcalina es la más importante en términos de investigación y desarrollo y aplicaciones comerciales, y se describirá a continuación. También se han publicado detalles sobre la ruta ácida. [3] [4]
En la década de 1950, Viktor Glukhovsky desarrolló materiales de hormigón originalmente conocidos con los nombres de "hormigones de silicato de suelo" y "cementos de suelo", [5] pero desde la introducción del concepto de geopolímero por Joseph Davidovits , la terminología y las definiciones de la palabra geopolímero han cambiado. se vuelven más diversos y a menudo conflictivos. La palabra geopolímero se utiliza a veces para referirse a macromoléculas orgánicas naturales ; [6] ese sentido de la palabra difiere del uso ahora más común de esta terminología para hablar de materiales inorgánicos que pueden tener un carácter similar al cemento o al cerámico .
En la siguiente presentación, un geopolímero es esencialmente un compuesto químico mineral o una mezcla de compuestos que consisten en unidades repetidas, por ejemplo, óxido de silico (-Si-O-Si-O-), silicoaluminato (-Si-O-Al-). O-), ferro-silico-aluminato (-Fe-O-Si-O-Al-O-) o alumino-fosfato (-Al-OPO-), creado mediante un proceso de geopolimerización. [7] Este método de descripción de la síntesis mineral (geosíntesis) fue presentado por primera vez por Davidovits en un simposio de la IUPAC en 1976. [8]
Incluso dentro del contexto de los materiales inorgánicos, existen varias definiciones de la palabra geopolímero, que pueden incluir una variedad relativamente amplia de materiales sólidos sintetizados a baja temperatura. [9] El geopolímero más típico se describe generalmente como resultado de la reacción entre metacaolín ( arcilla caolinítica calcinada ) y una solución de silicato de sodio o potasio ( vidrio soluble ). La geopolimerización tiende a dar como resultado una red desordenada y altamente conectada de unidades de óxido tetraédrico cargadas negativamente equilibradas por los iones de sodio o potasio.
En la forma más simple, un ejemplo de fórmula química para un geopolímero se puede escribir como Na 2 O · Al 2 O 3 · nSiO 2 · wH 2 O, donde n suele estar entre 2 y 4, y w es alrededor de 11-15. Los geopolímeros se pueden formular con una amplia variedad de sustituyentes tanto en los sitios estructurales (Si, Al) como en los no estructurales (Na); más comúnmente, K o Ca ocupan los sitios que no son de estructura (Na), o Fe o P pueden, en principio, reemplazar parte del Al o Si.
La geopolimerización suele ocurrir a temperatura ambiente o ligeramente elevada; las materias primas sólidas de aluminosilicato (por ejemplo, metacaolín) se disuelven en la solución alcalina y luego se reticulan y polimerizan en una fase de gel en crecimiento, que luego continúa fraguándose, endureciéndose y ganando fuerza.
La unidad fundamental dentro de una estructura de geopolímero es un complejo tetraédrico que consta de silicio o aluminio coordinado mediante enlaces covalentes con cuatro oxígenos. La estructura del geopolímero resulta del entrecruzamiento entre estos tetraedros, lo que conduce a una red de aluminosilicato tridimensional , donde la carga negativa asociada con el aluminio tetraédrico se equilibra con una pequeña especie catiónica, más comúnmente un catión de metal alcalino (Na+, K+, etc.). ). Estos cationes de metales alcalinos son a menudo intercambiables de iones , ya que están asociados con la red covalente principal, pero solo ligeramente unidos a ella, de manera similar a los cationes sin estructura presentes en las zeolitas .
La geopolimerización es el proceso de combinar muchas moléculas pequeñas conocidas como oligómeros en una red unida covalentemente. Este proceso de reacción tiene lugar mediante la formación de oligómeros (dímero, trímero, tetrámero, pentámero) que se cree que contribuyen a la formación de la estructura real del marco macromolecular tridimensional, ya sea mediante incorporación directa o mediante reordenamiento mediante especies monoméricas. Estos oligómeros son nombrados por algunos químicos de geopolímeros como sialatos siguiendo el esquema desarrollado por Davidovits, [2] aunque esta terminología no es universalmente aceptada dentro de la comunidad investigadora debido en parte a la confusión con el uso anterior (1952) de la misma palabra para referirse a las sales de la importante biomolécula ácido siálico . [10]
La imagen muestra cinco ejemplos de pequeñas especies oligoméricas de aluminosilicato de potasio (etiquetadas en el diagrama según la nomenclatura poli(sialato)/poli(sialato-siloxo), que son intermediarios clave en la geopolimerización de aluminosilicato a base de potasio. La química acuosa de los oligómeros de aluminosilicato es compleja [11] y también juega un papel importante en la discusión de la síntesis de zeolita , un proceso que tiene muchos detalles en común con la geopolimerización.
Ejemplo de geopolimerización de un precursor de metacaolín, en medio alcalino [12]
El proceso de reacción implica en términos generales cuatro etapas principales:
Los procesos de reacción que involucran otros precursores de aluminosilicato (por ejemplo, cenizas volantes bajas en calcio , vidrio triturado o sintético, puzolanas naturales ) son en términos generales similares a los pasos descritos anteriormente.
La geopolimerización forma estructuras de aluminosilicato que son similares a las de algunos minerales formadores de rocas, pero que carecen de un orden cristalino de largo alcance y generalmente contienen agua en ambos sitios químicamente unidos (grupos hidroxilo) y en forma molecular como agua de poro. Esta agua se puede eliminar a temperaturas superiores a 100 – 200°C. La hidratación de los cationes, la ubicación y la movilidad de las moléculas de agua en los poros son importantes para aplicaciones de temperaturas más bajas, como en el uso de geopolímeros como cementos. [13] [14] La figura muestra un geopolímero que contiene agua unida (grupos Si-OH) y agua libre (a la izquierda en la figura). Parte del agua está asociada con la estructura de manera similar al agua zeolítica , y otra parte está en poros más grandes y puede liberarse y eliminarse fácilmente. Después de la deshidroxilación (y deshidratación), generalmente por encima de 250 °C, los geopolímeros pueden cristalizar por encima de 800-1000 °C (dependiendo de la naturaleza del catión alcalino presente). [15]
Existe una amplia variedad de aplicaciones potenciales y existentes. Algunas de las aplicaciones de los geopolímeros aún están en desarrollo, mientras que otras ya están industrializadas y comercializadas. [16] Se enumeran en tres categorías principales:
Desde un punto de vista terminológico, el cemento geopolímero [17] es un sistema aglutinante que endurece a temperatura ambiente, como el cemento Portland normal .
El cemento geopolímero se está desarrollando y utilizando como alternativa al cemento Portland convencional para su uso en transporte, infraestructura, construcción y aplicaciones costa afuera. [ cita necesaria ]
La producción de cemento geopolímero requiere un material precursor de aluminosilicato como metacaolín o cenizas volantes , un reactivo alcalino fácil de usar [18] [ ¿fuente promocional? ] (por ejemplo, silicatos solubles de sodio o potasio con una relación molar (MR) SiO 2 :M 2 O ≥ 1,65, siendo M Na o K) y agua (consulte la definición de reactivo "fácil de usar" a continuación). El endurecimiento a temperatura ambiente se logra más fácilmente con la adición de una fuente de cationes de calcio, a menudo escoria de alto horno . [ cita necesaria ]
Los cementos geopolímeros se pueden formular para curar más rápidamente que los cementos a base de Portland; Algunas mezclas obtienen la mayor parte de su fuerza máxima en 24 horas. Sin embargo, también deben fraguar lo suficientemente lento como para poder mezclarlos en una planta discontinua, ya sea para prefabricados o para su entrega en una hormigonera. El cemento geopolímero también tiene la capacidad de formar un fuerte enlace químico con agregados a base de roca de silicato . [ cita necesaria ]
A menudo existe confusión entre los significados de los términos "cemento geopolímero" y "hormigón geopolímero". Un cemento es un conglomerante, mientras que el hormigón es el material compuesto resultante de la mezcla y endurecimiento del cemento con agua (o una solución alcalina en el caso del cemento geopolímero) y áridos pétreos. Los materiales de ambos tipos (cementos geopolímeros y hormigones geopolímeros) están disponibles comercialmente en varios mercados a nivel internacional. [ cita necesaria ]
Existe cierta confusión en la terminología aplicada a los geopolímeros, cementos y hormigones activados con álcalis y materiales relacionados, que han sido descritos con una variedad de nombres que incluyen también "hormigones de silicato de suelo" y "cementos de suelo". [5] La terminología relacionada con materiales activados con álcalis o geopolímeros activados con álcalis también es de uso amplio (pero debatido). Estos cementos, a veces abreviados AAM, abarcan los campos específicos de escorias activadas con álcalis, cenizas volantes de carbón activadas con álcalis y diversos sistemas de cementación mezclados.
La geopolimerización utiliza ingredientes químicos que pueden ser peligrosos y, por lo tanto, requiere algunos procedimientos de seguridad. Las normas de seguridad de materiales clasifican los productos alcalinos en dos categorías: productos corrosivos (llamados aquí: hostiles) y productos irritantes (llamados aquí: amigables). [ cita necesaria ]
La tabla enumera algunos químicos alcalinos y su correspondiente etiqueta de seguridad. [19] Los reactivos alcalinos que pertenecen a la segunda clase (pH menos elevado) también pueden denominarse fáciles de usar , aunque la naturaleza irritante del componente alcalino y el riesgo potencial de inhalación de los polvos aún requieren la selección y el uso de equipo de protección personal adecuado. , como en cualquier situación donde se manipulen productos químicos o polvos.
En el desarrollo de algunos cementos activados alcalinos , como se muestra en numerosas recetas publicadas (especialmente aquellos basados en cenizas volantes), se utilizan silicatos alcalinos con relaciones molares SiO 2 :M 2 O inferiores a 1,20, o se basan en NaOH concentrado. Estas condiciones no se consideran tan fáciles de usar como cuando se utilizan valores de pH más moderados y requieren una consideración cuidadosa de las leyes, regulaciones y directivas estatales sobre manipulación segura de productos químicos.
Por el contrario, las recetas de cemento geopolímero empleadas en el campo generalmente implican silicatos solubles alcalinos con relaciones molares iniciales que varían de 1,45 a 1,95, particularmente de 1,60 a 1,85, es decir, condiciones fáciles de usar . Puede suceder que, para la investigación, algunas recetas de laboratorio tengan proporciones molares en el rango de 1,20 a 1,45.
Las categorías comprenden:
El primer cemento geopolímero desarrollado en la década de 1980 fue del tipo (K,Na,Ca)-poli(sialato) (o cemento geopolímero a base de escoria) y fue el resultado de los desarrollos de investigación realizados por Joseph Davidovits y JL Sawyer en Lone Star Industries. , EE. UU. y dio lugar a la invención del cemento Pyrament®. La solicitud de patente americana se presentó en 1984 y la patente US 4.509.985 se concedió el 9 de abril de 1985 con el título 'Early high-streight mineralpolymer'.
En la década de 1990, basándose en los trabajos realizados sobre cementos geopoliméricos y sobre la síntesis de zeolitas a partir de cenizas volantes, Wastiels et al., [27] Silverstrim et al. [28] y van Jaarsveld y van Deventer [29] desarrollaron cementos geopoliméricos a base de cenizas volantes.
Actualmente existen dos tipos a base de cenizas volantes silíceas (EN 197) o clase F (ASTM C618):
Cemento geopolímero a base de ferro-sialato Las propiedades son similares a las del cemento geopolímero a base de roca pero involucran elementos geológicos con alto contenido de óxido de hierro. La composición geopolimérica es del tipo (Ca,K)-(Fe-O)-(Si-O-Al-O). Este cemento geopolímero de fácil uso se encuentra en fase de desarrollo y comercialización. [ cita necesaria ]
Los cementos geopolímeros podrían diseñarse para tener una emisión atribuida de dióxido de carbono CO 2 menor que otros materiales ampliamente utilizados. [30] En comparación con el cemento Portland, el geopolímero utiliza subproductos/residuos industriales, que contienen fases de aluminosilicato (que tiene un bajo impacto ambiental negativo), que minimizan las emisiones de CO₂. [31]
En junio de 2012, la institución ASTM International organizó un simposio sobre Sistemas Aglutinantes de Geopolímeros. La introducción al simposio dice: [ cita necesaria ] Cuando se escribieron las especificaciones de rendimiento para el cemento Portland, los aglutinantes que no fueran Portland eran poco comunes... Se investigan cada vez más nuevos aglutinantes, como los geopolímeros, se comercializan como productos especiales y se exploran para su uso en estructuras. concreto. Este simposio tiene como objetivo brindar una oportunidad para que ASTM considere si los estándares de cemento existentes brindan, por un lado, un marco eficaz para una mayor exploración de los aglutinantes de geopolímeros y, por el otro, una protección confiable para los usuarios de estos materiales .
Las normas existentes para el cemento Portland no están adaptadas a los cementos geopolímeros. Deben ser elaborados por un comité ad hoc . Sin embargo, para hacerlo, también se requiere la presencia de cementos geopolímeros estándar. Actualmente, cada experto presenta su propia receta basada en materias primas locales (desechos, subproductos o extraídas). Es necesario seleccionar la categoría correcta de cemento geopolímero. El Estado de la I+D de geopolímeros de 2012 [32] sugirió seleccionar dos categorías, a saber:
junto con el reactivo geopolimérico adecuado y fácil de usar.
Los geopolímeros se pueden utilizar como una ruta de bajo costo y/o químicamente flexible para la producción de cerámica, tanto para producir muestras monolíticas como como fase continua (aglutinante) en compuestos con fases dispersas particuladas o fibrosas.
Los geopolímeros producidos a temperatura ambiente suelen ser duros, quebradizos , moldeables y mecánicamente fuertes. Esta combinación de características ofrece la oportunidad de su uso en una variedad de aplicaciones en las que convencionalmente se utilizan otras cerámicas (por ejemplo, porcelana ). Algunas de las primeras aplicaciones patentadas de materiales tipo geopolímero (que en realidad son varias décadas anteriores a la acuñación del término geopolímero) se relacionan con su uso en bujías de automóviles . [33]
También es posible utilizar geopolímeros como una vía versátil para producir cerámicas cristalinas o vitrocerámicas , formando un geopolímero mediante ajuste a temperatura ambiente y luego calentándolo (calcinándolo) a la temperatura necesaria para convertirlo de la forma de geopolímero cristalográficamente desordenado . para lograr las fases cristalinas deseadas (p.ej. leucita , polucita y otras). [34]
Debido a que los artefactos de geopolímero pueden parecerse a la piedra natural, varios artistas comenzaron a fundir en moldes de caucho de silicona réplicas de sus esculturas. Por ejemplo, en la década de 1980, el artista francés Georges Grimal trabajó en varias formulaciones de piedra moldeable con geopolímero. [35]
A mediados de los años 1980, Joseph Davidovits presentó sus primeros resultados analíticos realizados con muestras procedentes de pirámides egipcias . Afirmó que los antiguos egipcios utilizaban una reacción geopolimérica para fabricar bloques de piedra caliza reaglomerados. [36] [37] [38] Más tarde, varios científicos de materiales y físicos se hicieron cargo de estos estudios arqueológicos y publicaron resultados sobre piedras piramidales, alegando orígenes sintéticos. [39] [40] [41] [42] Sin embargo, las teorías del origen sintético de las piedras piramidales también han sido estridentemente cuestionadas por otros geólogos, científicos de materiales y arqueólogos. [43]
También se ha afirmado que los cementos romanos de cal y puzolana utilizados en la construcción de algunas estructuras importantes, especialmente obras relacionadas con el almacenamiento de agua (cisternas, acueductos), tienen paralelos químicos con los materiales geopoliméricos. [44]