ACTIVADORES ALCALINOS ALTERNATIVOS A PARTIR DE LA CENIZA DE CÁSCARA DE ARROZ PARA LA PREPARACIÓN DE GEOPOLÍMEROS

Abstract

[EN] Unquestionably, the industry of Portland cement is in the midst of a major identity crisis because its manufacture is incompatible with the improvement of sustainable development, due to the large volumes of CO2 emitted, energy consumption, use of fossil fuels as well as factors related to the durability of Portland cement concrete. That is why today, there are numerous studies on possible alternatives to the use of Portland cement, among which are the alkali activated or geopolymer binders. These materials can incorporate in its development waste from various sources such as the petrochemical, agricultural, steel and even allows the reuse of various waste from the construction industry, while minimizing CO2 emissions and energy consumption in its preparation. In the manufacture of these alkali activated binders is also commonly used as activator solution mixtures of sodium hydroxide and waterglass. This product is expensive and can be environmentally unfriendly. That is why, must investigate new sources of waterglass with a lower economic and environmental cost. In the research it conducted a study on reuse two waste from different sources in the preparation of alkali activated binders for later use in construction. One is the spent catalyst catalytic cracking (FCC), from the petrochemical industry. It is the aluminosilicate material necessary for carrying out the process of geopolymerization. The second residue is the rice husk ash (RHA) in its original state and also ground, from the agricultural industry and is the source of silica needed to prepare the alkaline activator (instead of waterglass) with a material of high alkalinity. First, a physicochemical characterization of the two main waste and other materials are made. Then, a study on the different thermochemical treatments applied to the rice husk ash and NaOH to achieve the synthesis of alternative waterglass it is performed. Alkali activated pastes and mortars based on FCC have been prepared, both commercial waterglass as synthesized from the RHA, evaluating the influence of the type of treatment used in the preparation of alkaline activator on the pastes microstructure and the mechanical strength of mortars. The influence of the use of KOH in the manufacture of activator with rice husk ash or on the microstructure and mechanical properties of alkali activated pastes and mortars is analyzed. They have been made activated binders with the mixture of rice husk ash/ sodium hydroxide, using as an aluminosilicate material other waste different from FCC, such as blast furnace slag or ceramic bricks and even carbonated hydrated cement from the fine fraction of demolition waste. In the final chapter of the thesis, the results obtained in the manufacture of a geopolymeric concrete. It can be concluded that the aluminosilicate based geopolymer with FCC with an activator made from rice husk ash, have similar or superior properties to those made from commercial waterglass. This opens new ways for its use as an alternative, with lower economic and environmental cost. They are binders where the matrix is made almost entirely from waste, making them more sustainable materials.

[ES] Es incuestionable, que la industria del cemento Portland se encuentra en medio de una importante crisis de identidad, ya que su fabricación es incompatible con la mejora de un desarrollo sostenible, debido a los grandes volúmenes de CO2 emitidos, al consumo de energía, al uso de combustibles fósiles y también a factores relacionados con la durabilidad de hormigones de cemento Portland. Es por ello que en la actualidad, existen numerosos estudios acerca de las posibles alternativas al uso del cemento Portland, entre las que se encuentran los conglomerantes activados alcalinamente o geopolímeros. Estos materiales permiten incorporar en su elaboración numerosos residuos de diversa procedencia como la industria petroquímica, agrícola, siderúrgica e incluso permite la reutilización de diversos residuos procedentes de la industria de la construcción, además de minimizar las emisiones de CO2 y los consumos de energía en su elaboración. En la fabricación de estos conglomerantes activados alcalinamente se suele usar también, como disolución activadora mezclas de hidróxido sódico y silicato sódico, este último producto es costoso y puede llegar a ser medioambientalmente no amigable. Es por eso, que hay que investigar nuevas fuentes de silicato sódico con un menor coste económico y medioambiental. En la investigación realizada se presenta un estudio sobre la reutilización de dos residuos de distinta procedencia en la elaboración de los conglomerantes activados alcalinamente para su posterior uso en la construcción civil. Uno de ellos es el catalizador gastado de craqueo catalítico (FCC), procedente de la industria petroquímica que se trata del material silicoaluminoso necesario para llevar a cabo el proceso de geopolimerización. El segundo residuo es la ceniza de cáscara de arroz (CCA) tanto en su estado original como molido, procedente de la industria agrícola y que constituye la fuente de sílice necesaria para la elaboración del activador alcalino (en lugar de silicato sódico) junto con un material de elevada alcalinidad. En primer lugar, se ha realizado una caracterización físico-química de los dos residuos principales, así como de otros materiales utilizados para la realización de la presente Tesis Doctoral. Seguidamente se realiza un estudio sobre los diferentes tratamientos térmicos aplicados a la mezcla de la ceniza de cáscara de arroz y el NaOH para lograr la síntesis del silicato de sodio alternativo. Se han elaborado pastas y morteros activados alcalinamente basados en FCC, tanto con silicato de sodio comercial como con el sintetizado a partir de la CCA, evaluando la influencia del tipo de tratamiento utilizado en la elaboración del activador alcalino sobre la microestructura de las pastas y de la resistencia mecánica de los morteros. A continuación, se ha analizado la influencia del uso del KOH en la fabricación del activador con ceniza de cáscara de arroz sobre la microestructura y propiedades mecánicas de las pastas y morteros activados alcalinamente. Se han fabricado conglomerantes activados con la mezcla ceniza de cascara de arroz/hidróxido sódico, utilizando como base silicoaluminosa otro tipo de residuos distintos del FCC, como escoria de alto horno o residuos cerámicos de ladrillos y cemento hidratado carbonatado procedente de la fracción fina de los residuos de demolición. En el capítulo final de la tesis doctoral se muestran los resultados obtenidos en la fabricación de un hormigón geopolimérico. Se puede concluir que los geopolímeros con base silicoaluminosa de FCC con un activador fabricado a partir de ceniza de cáscara de arroz, presentan prestaciones similares o superiores a los fabricados a partir de silicato sódico comercial. Este hecho abre nuevas vías para su uso como alternativa, con un menor coste económico y medioambiental. Se trata de conglomerantes donde la matriz está fabricada prácticamente en su totalidad a partir de residuos,

[CA] És inqüestionable, que la indústria del ciment Pòrtland es troba enmig d'una important crisi d'identitat, ja que la seua fabricació és incompatible amb la millora d'un desenvolupament sostenible, a causa dels grans volums de CO2 emesos, el consum energètic, l'ús de combustibles fòssils i també a factors relacionats amb la durabilitat de formigons de ciment Pòrtland. És per això que en l'actualitat, hi ha nombrosos estudis sobre possibles alternatives a l'ús del ciment Pòrtland, entre les que es troben els conglomerants activats alcalinament, també anomenats geopolímers. Estos materials permeten incorporar en la seua elaboració nombrosos residus de diversa procedència, com la indústria petroquímica, agrícola, siderúrgica i fins i tot permeten reutilitzar diversos residus procedents de la indústria de la construcció, a més de minimitzar les emissions de CO2 i els consums d'energia en la seua elaboració. En la fabricació d'estos conglomerants activats alcalinament sol utilitzar-se també, com a dissolució activadora, mescles d'hidròxid sòdic i silicat sòdic, este últim producte és costós i pot arribar a ser mediambientalment no amigable. És per això que cal investigar noves fonts de silicat sòdic amb un menor cost econòmic i mediambiental. En la investigació realitzada es presenta un estudi sobre la reutilització de dos residus de distinta procedència en l'elaboració dels conglomerants activats alcalinament per al seu posterior ús en la construcció civil. Un d'ells és el catalitzador gastat de craqueig catalític (FCC), procedent de la indústria petroquímica, que es tracta del material silicoaluminós necessari per a portar a terme el procés de geopolimerització. El segon residu és la cendra de corfa d'arròs (CCA), tant en el seu estat original com mòlt, procedent de la indústria agrícola i que constitueix la font de sílice necessària per a l'elaboració de l'activador alcalí (en compte de silicat sòdic) junt amb un material d'elevada alcalinitat. En primer lloc, s'ha realitzat una caracterització fisicoquímica dels dos residus principals, així com d'altres materials utilitzats per a la realització de la present Tesi Doctoral. A continuació es realitza un estudi sobre els diferents tractaments termoquímics aplicats a la cendra de corfa d'arròs i al NaOH per tal d'aconseguir la síntesi del silicat de sodi alternatiu. S'han elaborat pastes i morters activats alcalinament basats en FCC, tant amb silicat de sodi comercial com amb el sintetitzat a partir de la CCA, avaluant la influència del tipus de tractament utilitzat en l'elaboració de l'activador alcalí sobre la microestructura de les pastes i de la resistència mecànica dels morters. S'analitza la influència de l'ús del KOH en la fabricació de l'activador amb cendra de corfa d'arròs o sobre la microestructura i propietats mecàniques de les pastes i morters activats alcalinament. S'han fabricat conglomerants activats amb la mescla cendra de corfa d'arròs/hidròxid sòdic, utilitzant com a base silicoaluminosa un altre tipus de residus distints de l'FCC, com l'escòria d'alt forn o residus ceràmics de rajoles, i fins i tot ciment hidratat carbonatat procedent de la fracció fina dels residus de demolició. En el capítol final de la tesi doctoral es mostren els resultats obtinguts en la fabricació d'un formigó geopolimèric. Es pot concloure que els geopolímers amb base silicoaluminosa d'FCC amb un activador fabricat a partir de cendra de corfa d'arròs, presenten prestacions semblants o superiors als fabricats a partir de silicat sòdic comercial. Este fet obri noves vies per al seu ús com a alternativa, amb un menor cost econòmic i mediambiental. Es tracta de conglomerants on la matriu està fabricada pràcticament en la seua totalitat a partir de residus, la qual cosa els fa ser materials més sostenibles.