Fabricación de nuevos materiales geopoliméricos a partir de mezclas de residuos de cerámica sanitaria y catalizador gastado de craqueo catalítico

Abstract

El cemento portland, es el material más ampliamente usado en la construcción, por ser más barato, tener buena resistencia mecánica y una alta durabilidad. Sin embargo, se observa que en aspectos medioambientales es uno de los más contaminantes en la industria de la construcción, ya que su producción genera una gran cantidad en emisiones de CO2 a la atmósfera.

Durante el paso de los años la comunidad científica incrementa los esfuerzos para buscar materiales alternativos al cemento portland y así reducir las emisiones de gases contaminantes. Entre los materiales alternativos podemos encontrar los denominados geopolímeros o cementos activados alcalinamente, los cuales pueden utilizar materiales residuales. Estos geopolímeros pueden incluso ofrecer prestaciones superiores a los del cemento portland.

Entre los residuos estudiados para la fabricación de geopolímeros se encuentran los residuos generados por la industria cerámica, y entre ellos, la cerámica sanitaria. La cerámica sanitaria produce grandes cantidades de residuos principalmente debidos a roturas o defectos en la cocción de los artículos sanitarios. Sin embargo, los resultados hasta ahora obtenidos, usándolos como precursor en la preparación de geopolímeros, muestran resistencias mecánicas muy bajas, principalmente cuando se curan a temperatura ambiente (2.2 MPa a 28 días), por lo que es necesario mejorar sus prestaciones usando mezclas de este residuo cerámico junto con algún otro material que tenga mayores prestaciones.

En este trabajo se ha planteado usar mezclas de residuos de la cerámica sanitaria junto con un residuo de la industria petroquímica, el catalizador de craqueo catalítico. Previamente al estudio de este material en mezclas geopoliméricas, se hizo un estudio mediante la técnica del estudio del pH y conductividad eléctrica en suspensiones acuosas cal/puzolana, para distintas mezclas ternarias FCC/CS/cal, a fin de analizar la influencia de la cerámica sanitaria en la reactividad de la mezcla.

Una vez realizado el estudio anterior, se procedió a la fabricación de morteros de activación alcalina, para los que se utilizaron el residuo de cerámica sanitaria molido (CS) y el catalizador de craqueo catalítico usado (FCC) como materiales precursores en distintas proporciones (100/0 hasta 50/50) y como disolución activadora se utilizó una mezcla de hidróxido de sodio y silicato sódico, estudiando la influencia de las distintas proporciones de silicato de sodio en las mismas. Estos morteros se curaron a diferentes edades de curado y distintas temperaturas, utilizando baño térmico y cámara húmeda. Se analizaron sus valores de resistencia mecánica. También se realizaron pastas con las mismas dosificaciones empleadas en los morteros para realizar ensayos microestructurales como son la termogravimetría y FESEM. Por último, se procedió a sustituir la disolución activadora en alguno de estos morteros, por otra que también contiene otros tipos de residuos muy ricos en sílice, a fin de disminuir todavía más la huella de carbono de estos conglomerantes. En este caso, como precursor se siguieron usando alguna de las mezclas CS/FCC, mientras que en la fabricación de la disolución activadora se utilizó una mezcla de ceniza de cáscara de arroz o residuo de tierra de diatomeas con hidróxido sódico, a fin de fabricar un ¿silicato sódico alternativo¿ necesario para que se produzca la reacción de activación.

Los resultados obtenidos en este trabajo final de máster han permitido demostrar que el uso de materiales residuales en conjunto puede emplearse para la generación de matrices geopoliméricas y abre la posibilidad de seguir combinando distintos materiales precursores y activadores para obtener geopolímeros con buenas prestaciones mecánicas y una menor huella de carbono.

Portland cement is the most widely used material in construction, as it is cheaper, has good mechanical strength and high durability. However, it is observed that in environmental aspects it is one of the most polluting in the construction industry, since its production generates a large amount of CO2 emissions into the atmosphere.

Over the years, the scientific community has increased its efforts to find alternative materials to portland cement and thus reduce emissions of polluting gases. Among the alternative materials we can find the so-called geopolymers or alkaline activated cements, which can use residual materials. These geopolymers can even offer benefits superior to those of portland cement.

Among the waste studied for the manufacture of geopolymers are the waste generated by the ceramic industry, and among them, sanitary ceramics. Sanitary ceramics produce large amounts of waste mainly due to breaks or defects in the cooking of sanitary ware. However, the results obtained so far, using them as a precursor in the preparation of geopolymers, show very low mechanical resistances, mainly when they are cured at room temperature (2.2 MPa at 28 days), so it is necessary to improve their performance using mixtures of This ceramic waste together with some other material that has higher benefits.

In this work, it has been proposed to use waste mixtures of sanitary ceramics together with a residue from the petrochemical industry, the catalytic cracking catalyst. Prior to the study of this material in geopolymer mixtures, a study was made using the technique of the study of pH and electrical conductivity in lime/pozzolan aqueous suspensions, for different ternary FCC/CS /lime mixtures, in order to analyze the influence of ceramics sanitary in the reactivity of the mixture.

Once the previous study was carried out, the production of alkaline activation mortars was carried out, for which the waste sanitary ceramic (CS) and the catalytic cracking catalyst used (FCC) were used as precursor materials in different proportions (100/0 to 50/50) and as a triggering solution a mixture of sodium hydroxide and sodium silicate was used, studying the influence of the different proportions of sodium silicate therein. These mortars were cured at different ages of curing and different temperatures, using a thermal bath and a humid chamber. Their mechanical strength values were analyzed. Pastes were also made with the same dosages used in mortars to perform microstructural tests such as thermogravimetry and FESEM. Finally, we proceeded to replace the activating solution in one of these mortars, for another that also contains other types of waste very rich in silica, in order to further reduce the carbon footprint of these binders. In this case, some of the CS/FCC mixtures continued to be used as a precursor, while in the manufacture of the activating solution a mixture of rice husk ash or diatomaceous earth residue with sodium hydroxide was used in order to manufacture an "alternative sodium silicate" necessary for the activation reaction to occur.

The results obtained in this final master's work have shown that the use of residual materials together can be used for the generation of geopolymeric matrices and opens the possibility of continuing to combine different precursor and activator materials to obtain geopolymers with good mechanical performance and lower carbon footprint.