Un geopolímero es un término pseudoquímico vago que se utiliza para describir un material inorgánico , típicamente a granel, parecido a la cerámica , que forma redes no cristalinas ( amorfas ) unidas covalentemente , a menudo entremezcladas con otras fases. Muchos geopolímeros también pueden clasificarse como cementos activados por álcali o aglutinantes activados por ácido. Se producen principalmente por 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 se vuelva a formar en un monolito sólido. La vía más común para producir geopolímeros es mediante la reacción de metacaolín con silicato de sodio , que es una solución alcalina, pero también son posibles otros procesos. [1]
Los geopolímeros producidos comercialmente pueden utilizarse para recubrimientos y adhesivos resistentes al fuego y al calor, aplicaciones medicinales, cerámicas de alta temperatura, nuevos aglutinantes para compuestos de fibra resistentes al fuego, encapsulación de desechos tóxicos y radiactivos y como componentes cementantes para fabricar o reparar hormigones. Las propiedades y los usos de los geopolímeros se están explorando en muchas disciplinas científicas e industriales, como la química inorgánica moderna , la química física , la química coloidal , la mineralogía , la geología y en otros tipos de tecnologías de procesos de ingeniería.
El término geopolímero fue acuñado por Joseph Davidavotis en 1978 debido a los minerales formadores de rocas de origen geológico utilizados en el proceso de síntesis. [2] Estos materiales y la terminología asociada se popularizaron en las décadas siguientes a través de su trabajo con el Institut Géopolymère (Instituto de Geopolímeros) .
Los geopolímeros se sintetizan en una de dos condiciones:
La vía alcalina es la más importante en términos de investigación y desarrollo y aplicaciones comerciales. También se han publicado detalles sobre la vía ácida. [3] [4]
En la década de 1950, Viktor Glukhovsky desarrolló materiales de hormigón originalmente conocidos como "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 se han vuelto más diversas y a menudo contradictorias. La palabra geopolímero se utiliza a veces para referirse a macromoléculas orgánicas de origen natural ; [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 a la cerámica .
Un geopolímero es esencialmente un compuesto químico mineral o una mezcla de compuestos que consiste en unidades repetidas, por ejemplo, óxido de silicio (-Si-O-Si-O-), silicoaluminato (-Si-O-Al-O-), ferrosilicoaluminato (-Fe-O-Si-O-Al-O-) o aluminofosfato (-Al-OPO-), creados a través de 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 el resultante de la reacción entre el metacaolín ( arcilla caolinítica calcinada ) y una solución de silicato de sodio o potasio ( vidrio de agua ). La geopolimerización tiende a dar como resultado una red altamente conectada y desordenada de unidades de óxido tetraédricas cargadas negativamente equilibradas por los iones de sodio o potasio.
En su forma más simple, una fórmula química de ejemplo para un geopolímero se puede escribir como Na2O · Al2O3 · nSiO2 · wH2O , donde n suele estar entre 2 y 4, y w está alrededor de 11-15. Los geopolímeros se pueden formular con una amplia variedad de sustituyentes tanto en los sitios de la estructura (silicio, aluminio) como en los sitios fuera de la estructura (sodio); lo más común es que el potasio o el calcio ocupen los sitios fuera de la estructura, pero el hierro o el fósforo pueden, en principio, reemplazar parte del aluminio o el silicio. [ cita requerida ]
La geopolimerización ocurre generalmente a temperatura ambiente o ligeramente elevada; las materias primas de aluminosilicato sólido (por ejemplo, metacaolín) se disuelven en la solución alcalina, luego se reticulan y polimerizan en una fase de gel creciente, que luego continúa fraguándose, endureciéndose y ganando resistencia.
La unidad fundamental dentro de una estructura de geopolímero es un complejo tetraédrico que consiste en silicio o aluminio coordinado a través de enlaces covalentes a cuatro oxígenos. La estructura del geopolímero resulta de la reticulación 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 especie catiónica pequeña, más comúnmente un catión de metal alcalino (Na+, K+, etc.). Estos cationes de metales alcalinos a menudo son intercambiables iónicamente , ya que están asociados con la red covalente principal, pero solo débilmente unidos a ella, de manera similar a los cationes no estructurados 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 se lleva a cabo 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 a través de la incorporación directa o mediante la reorganización a través de especies monoméricas. [ cita requerida ] Algunos químicos de geopolímeros denominan a estos oligómeros sialatos siguiendo el esquema desarrollado por Davidovits, [2] aunque esta terminología no es universalmente aceptada dentro de la comunidad de investigación 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 de aluminosilicato de potasio oligomérico (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 desempeña un papel importante en la discusión de la síntesis de zeolitas , 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 líneas generales, cuatro etapas principales:
Los procesos de reacción que involucran otros precursores de aluminosilicato (por ejemplo, cenizas volantes con bajo contenido de calcio , vidrios triturados o sintéticos, puzolanas naturales ) son ampliamente 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 que generalmente contienen agua tanto en sitios unidos químicamente (grupos hidroxilo) como en forma molecular como agua intersticial. Esta agua se puede eliminar a temperaturas superiores a 100 – 200 °C. La hidratación de cationes y las ubicaciones y la movilidad de las moléculas de agua en los poros son importantes para aplicaciones de baja temperatura, como en el uso de geopolímeros como cementos. [13] [14] La figura muestra un geopolímero que contiene agua unida (grupos Si-OH) y libre (izquierda en la figura). Parte del agua está asociada con la estructura de manera similar al agua zeolítica , y parte está en poros más grandes y se puede liberar y eliminar fácilmente. Después de la deshidroxilación (y deshidratación), generalmente por encima de los 250 °C, los geopolímeros pueden cristalizar por encima de los 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 geopolimérico [17] es un sistema aglutinante que endurece a temperatura ambiente, como el cemento Portland normal .
El cemento geopolimérico se está desarrollando y utilizando como alternativa al cemento Portland convencional para su uso en transporte, infraestructura, construcción y aplicaciones marinas. [ cita requerida ]
La producción de cemento geopolimérico 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) SiO2 : M2O ≥ 1,65, siendo M sodio o potasio) 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 requerida ]
Los cementos geopoliméricos pueden formularse para curarse más rápidamente que los cementos a base de Portland; algunas mezclas alcanzan la mayor parte de su resistencia máxima en 24 horas. Sin embargo, también deben fraguar lo suficientemente lento como para que puedan mezclarse en una planta de hormigón, ya sea para su prefabricación o para su entrega en una hormigonera. El cemento geopolimérico también tiene la capacidad de formar un fuerte enlace químico con agregados a base de roca de silicato . [ cita requerida ]
A menudo existe confusión entre los significados de los términos «cemento geopolimérico» y «hormigón geopolimérico». El cemento es un aglutinante, mientras que el hormigón es el material compuesto resultante de la mezcla y el endurecimiento del cemento con agua (o una solución alcalina en el caso del cemento geopolimérico) y agregados de piedra. Los materiales de ambos tipos (cementos geopoliméricos y hormigones geopoliméricos) están disponibles comercialmente en varios mercados a nivel internacional. [ cita requerida ]
Existe cierta confusión en la terminología aplicada a los geopolímeros, cementos y hormigones activados con álcali y materiales relacionados, que se han descrito con una variedad de nombres, incluidos también "hormigones de silicato de suelo" y "cementos de suelo". [5] La terminología relacionada con los materiales activados con álcali o geopolímeros activados con álcali también se usa ampliamente (pero es debatida). Estos cementos, a veces abreviados como AAM, abarcan los campos específicos de escorias activadas con álcali, cenizas volantes de carbón activadas con álcali y varios sistemas de cementación mezclados.
La geopolimerización utiliza componentes químicos que pueden ser peligrosos y, por lo tanto, requiere ciertos procedimientos de seguridad. Las normas de seguridad de materiales clasifican los productos alcalinos en dos categorías: productos corrosivos (nombrados aquí como hostiles) y productos irritantes (nombrados aquí como amigables). [ cita requerida ]
La tabla enumera algunos productos químicos alcalinos y sus etiquetas de seguridad correspondientes. [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 polvos aún requieren la selección y el uso de equipo de protección personal adecuado , como en cualquier situación en la que se manipulen productos químicos o polvos.
El desarrollo de algunos cementos activados con álcali , como se muestra en numerosas recetas publicadas (especialmente aquellas basadas en cenizas volantes), utiliza 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 geopolimérico empleadas en el campo generalmente involucran silicatos solubles alcalinos con relaciones molares iniciales que van de 1,45 a 1,95, particularmente de 1,60 a 1,85, es decir, condiciones fáciles de usar . Puede suceder que para investigación, algunas recetas de laboratorio tengan relaciones molares en el rango de 1,20 a 1,45.
Los cementos geopoliméricos comerciales se desarrollaron en la década de 1980, del tipo (K,Na,Ca)-aluminosilicato (o "cemento geopolimérico a base de escoria") y fueron el resultado de las investigaciones realizadas por Joseph Davidovits y JL Sawyer en Lone Star Industries, EE. UU., comercializados como cemento Pyrament®. La patente estadounidense 4.509.985 se concedió el 9 de abril de 1985 con el título 'Polímero mineral de alta resistencia temprano'. [20]
En la década de 1990, utilizando el conocimiento de la síntesis de zeolitas a partir de cenizas volantes, Wastiels et al., [21] Silverstrim et al. [22] y van Jaarsveld y van Deventer [23] desarrollaron cementos geopoliméricos basados en cenizas volantes.
Los materiales a base de cenizas volantes silíceas (EN 197), también llamados de clase F (ASTM C618), son conocidos como:
Las propiedades de los cementos geopoliméricos a base de “ferrisialato” que contienen hierro son similares a las de los cementos geopoliméricos a base de roca, pero involucran elementos geológicos o escorias metalúrgicas con un alto contenido de óxido de hierro. La química del aglutinante hipotético es (Ca,K)-(Fe-O)-(Si-O-Al-O). [26]
Los cementos geopoliméricos a base de roca se pueden formar mediante la reacción de materiales puzolánicos naturales en condiciones alcalinas, [27] y los geopolímeros derivados de arcillas calcinadas (por ejemplo, metacaolín) también se pueden producir en forma de cementos.
Los cementos geopoliméricos pueden diseñarse para tener una emisión atribuida de dióxido de carbono CO2 menor que otros materiales ampliamente utilizados, como el cemento Portland . [28] Los geopolímeros utilizan subproductos/residuos industriales que contienen fases de aluminosilicato en la fabricación, lo que minimiza las emisiones de CO₂ y tiene un menor impacto ambiental. [29]
En junio de 2012, la institución ASTM International organizó un simposio sobre sistemas de aglutinantes geopolímeros. La introducción del simposio afirma: [ cita requerida ] Cuando se escribieron las especificaciones de rendimiento para el cemento Portland, los aglutinantes que no eran de tipo Portland eran poco comunes... Cada vez se investigan más nuevos aglutinantes, como los geopolímeros, se comercializan como productos especiales y se exploran para su uso en hormigón estructural. Este simposio tiene como objetivo brindar una oportunidad para que ASTM considere si las normas de cemento existentes brindan, por un lado, un marco eficaz para una mayor exploración de los aglutinantes geopolímeros y, por otro lado, una protección confiable para los usuarios de estos materiales .
Las normas actuales sobre cemento Portland no están adaptadas a los cementos geopoliméricos; deben ser elaboradas por un comité ad hoc . Sin embargo, para ello es necesario contar con cementos geopoliméricos estándar. Actualmente, cada experto presenta su propia receta basada en materias primas locales (residuos, subproductos o extraídos). Es necesario seleccionar la categoría correcta de cemento geopolimérico. El informe State of the Geopolymer R&D 2012 [30] sugirió seleccionar dos categorías, a saber:
junto con el reactivo geopolimérico apropiado 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 para ser la fase continua (aglutinante) en compuestos con fases dispersas particuladas o fibrosas. [31]
Los geopolímeros producidos a temperatura ambiente son típicamente duros, frágiles , moldeables y mecánicamente resistentes. Esta combinación de características ofrece la oportunidad de su uso en una variedad de aplicaciones en las que se utilizan convencionalmente otras cerámicas (por ejemplo, porcelana ). Algunas de las primeras aplicaciones patentadas de materiales de tipo geopolímero (de hecho, varias décadas antes de la acuñación del término geopolímero) se relacionan con el uso en bujías de automóviles . [32]
También es posible utilizar geopolímeros como una vía versátil para producir cerámicas cristalinas o vitrocerámicas , formando un geopolímero a través de un ajuste a temperatura ambiente y luego calentándolo (calcinándolo) a la temperatura necesaria para convertirlo de la forma de geopolímero cristalográficamente desordenada para lograr las fases cristalinas deseadas (por ejemplo, leucita , polucita y otras ). [33]
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 de geopolímero. [34]
A mediados de la década de 1980, Joseph Davidovits presentó sus primeros resultados analíticos realizados en muestras procedentes de las pirámides egipcias . Afirmó que los antiguos egipcios utilizaban una reacción geopolimérica para fabricar bloques de piedra caliza reaglomerada. [35] [36] [37] Más tarde, varios científicos de materiales y físicos se hicieron cargo de estos estudios arqueológicos y han publicado resultados sobre las piedras de las pirámides, afirmando orígenes sintéticos. [38] [39] [40] [41] Sin embargo, las teorías del origen sintético de las piedras de las pirámides también han sido estridentemente disputadas por otros geólogos, científicos de materiales y arqueólogos. [42]
También se ha afirmado que los cementos de cal y puzolana romanos 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. [43]