1. Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN
UNIDAD SALTILLO
Maestría en Ciencias en Ingeniería Cerámica
Propuesta de Tesis
CEMENTOS ALCALINOS COMPÓSITOS
BASE VIDRIO RECICLADO Y
METACAOLÍN
Presentada por:
DULCE ESMERALDA ORTEGA ZAVALA
Director de Tesis
DR. J. IVÁN ESCALANTE GARCÍA
Ramos Arizpe, Coah. Septiembre 2012
Ramos Arizpe, Coahuila 6-septiembre-2012

2. 1. OBJETIVOS
,
y
General
Investigar el desarrollo de las propiedades y mecanismos de reacción de
cementos compósitos de desecho de vidrio con metacaolín en cementos
químicamente activados; en función de la proporción, área superficial del
vidrio, tipo y concentración de activante alcalino.
Específicos
Determinar la composición óptima de vidrio reciclado y
metacaolín para obtener altas propiedades mecánicas.
Evaluar el efecto de 3 activantes: NaOH, Na2CO3, Na2O·SiO2 MSS
Estudiar el efecto de la temperatura de curado en la reactividad.
Estudiar el desarrollo de las propiedades mecánicas, estabilidad
dimensional y productos de reacción en función al tiempo de fraguado.
Dulce Esmeralda Ortega Zavala 2

3. 2. INTRODUCCIÓN
El consumo de concreto mundial per cápita anual es de 2 toneladas por
persona.
En concretos, el ligante más utilizado es el cemento Portland, cuya
producción mundial rebasa los 2800 millones de toneladas anuales.
Para producir una tonelada de cemento se producen también una tonelada de
CO2, (la industria cementera es responsable de cerca del 7% de las emisiones
mundiales de CO2.)
Los cementos alternativos reducen
el consumo de clínquer de cemento
Portland, ahorrando energía y
reduciendo emisiones de GEI
Dulce Esmeralda Ortega Zavala 3

4. El vidrio es un material fácilmente recuperable.
•El color del vidrio juega un papel importante en su reutilización y reciclado.
•Mundialmente el vidrio representa aprox. 3.84% del total de los desechos, siendo el cuarto
con mayor producción después de residuos vegetales, papel y metal.
En México: volumen de residuos de vidrio es 34.7% del total, se recicla
el 17.8% .
Porcentaje de reciclaje del vidrio
5%
10%
Verde
Claro
Extraclaro 25%
Opaco o ámbar 60%
Figura 1. Cantidad de los diferentes tipos de vidrio que se recicla en México [1].
4
[1] Taipale, K. State of the World 2012. moving toward sustaintable prosperity, (2012).

5. Aunque la composición química del vidrio es importante, su reciclaje como
cementante no enfrenta las fuertes restricciones de composición química que
tiene la industria de fabricación del vidrio.
Cementos activados por
GEOPOLÍMEROS
álcalis
Los cementos de metacaolín activados por álcalis presentan ventajas con respecto
al cemento Portland desde diversas perspectivas como:
•económicas
•ecológicas
•tecnológicas
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6. 3. ANTECEDENTES
Sialato
3.1 Cementos Alcalinos O O
[ Si O Al O ―] M+
•Redes amorfas de aluminosilicatos de Na+ o K+,
formados por aluminatos tetraédricos y unidades O O
Sialato Siloxo
condensadas de silicato en una estructura
eléctricamente equilibrada (Figura 2). O O O
[ Si O Al O ―Si―] M+
O O O
Los cementos alcalinos usan un activante
Sialato Disiloxo
alcalino para iniciar las reacciones que
O O O O
producen un material cementoso.
[ Si O Al O ―Si―O―Si―O] M+
O O O O
Figura 2. Representación esquemática de las formas posibles de
unidades de sialatos tetraédricos.
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7. Los geopolímeros carecen de un ordenamiento atómico.
La estructura contiene Si y Al en coordinación tetraédrica, a lo largo de toda la
cadena, entre las cavidades se alojan los iones alcalinos que balancean las cargas
eléctricas.
Figura 3. Modelo microestructural de los geopolímeros base MK, propuestos por Davidovits .
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8. La síntesis de geopolímeros se lleva a cabo mediante:
Polimerización y
La disolución de Formación de gel de
condensación de las
aluminosilicatos aluminosilicato
especies disueltas
Solución altamente NaOH
alcalina Na 2 O SiO 2
Na 2 CO 3
Activantes alcalinos
La activación alcalina consiste en el rompimiento de los enlaces Si-O y Al-O de la red
vítrea por iones OH- provenientes de una solución alcalina.
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9. 3.2 Materias primas de cementos alternativos
•Ceniza volante
•Escoria de alto horno
SiO2 Al2O3 •Puzolanas naturales
•Humo de sílice
•Metacaolín
Materias primas minerales o reciclables
Metacaolín (MK)
La transformación de la caolinita a metacaolín
incrementa la amorficidad y reactividad, debido al
cambio en el número de coordinación del aluminio
y al colapso de la estructura de la sílice.
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10. Vidrio
El vidrio puede ser utilizado como materia prima, para la
obtención de materiales cementosos alternativos.
•Como agregado para el concreto.
•Como materia prima (fuente de SiO2).
•Como reemplazo del cemento Portland.
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11. ESTADO DEL ARTE
Uso de vidrio reciclado como reemplazo total del cemento Portland:
Investigación previa en Cinvestav Saltillo propuso una
nueva vía de reciclado del vidrio.
Se mezclaron diferentes tipos de vidrio soda-cal con diferentes activantes alcalinos.
Las mejores propiedades mecánicas se obtuvieron para 10% de
Na2O con una relación NaOH/Na2CO3 de 1, alcanzando hasta
50MPa a 7 días.
Las microestructuras mostraron que el vidrio que se disuelve con la solución alcalina
formando una especie de gel que conforma la matriz y las partículas de vidrio sin
reaccionar se integran como agregados de la matriz. [2]
[2]L. E. García-Rivera, “Estudio de los parámetros de procesamiento de espumado de desechos vítreos”, Tesis de 11
Licenciatura para obtener el título de Ingeniero en Materiales, CINNVESTAV del IPN, Unidad Saltillo, 2009.

12. 4. JUSTIFICACIÓN
Búsqueda de cementos alternativos :
El material más
usado en mundo es •Con propiedades mecánicas aceptables
el concreto base •De bajo impacto ambiental
cemento Portland. •De bajo costo
•Durable
•Reciclables
Esta propuesta busca desarrollar un cemento geopolimérico alternativo base MK
con sustitución de vidrio reciclado.
La aportación consiste en la utilización de fuentes alternativas de sílice, para
buscar nuevas opciones para la producción de cementos alternativos.
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13. 5. METODOLOGÍA
Se plantean tres etapas principales.
Etapa 1
Formulación, elaboración de muestras y caracterización
Adquisición y
acondicionamiento
de materias primas
Etapa 2 Etapa 3
Etapa preliminar
Optimización
Pruebas preliminares Preparación de
DOE Optimización
las muestras
•tiempos de
vibrado
• mezclado
•relación Caracterización Caracterización
agua/sólidos
Caracterización de las
materias primas
•Fluorescencia de Rayos X
•Difracción de Rayos X Dulce Esmeralda Ortega Zavala 13

14. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN
Resistencia a la Compresión
Se analizaran muestras cúbicas de 2.5 cm a edades de 1 a 120 días.
RMC
Calorimetría isotérmica por conducción
CIC Seguimiento de la cinética de las reacciones.
Difracción de Rayos X
Determinación del tipo de productos formados en las pastas a
DRX
diferentes tiempos.
Microscopia electrónica de barrido
Caracterización microestructural de algunas formulaciones de las
MEB
pastas.
Espectroscopia por dispersión de energía
Determinación de la composición química elemental de la matriz de
EDS
productos de reacción.
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15. ETAPA 2 “DOE”
La interacción de las variables con mayor efecto y sus niveles (Tabla 1), tiene
efecto en las propiedades mecánicas de los cementos alcalinos.
Tabla 1. Determinación de los factores (variables) y niveles.
Factor Nivel
%VIDRIO 0 25 50 75 100
Parte 1: Evaluación de
NaO2 8 10 12 14 16
Módulo de SS 0 0.5 1 1.5 2 MSS
Temperatura de
20 40 60 20-70(12)-20 20-70(24)-20
curado
Área superficial
250 350 450 550 650
de vidrio
Factor Nivel
%VIDRIO 0 25 50 75 100
Activante NH NC 1NH:1NC 7NH:2NC 2NH:7NC
Parte 2: Evaluación de Área
NH y NC 250 350 450 550 650
superficial
%Na2O 8 10 12 14 16
Temperatura
20 40 60 20-70(12)-20 20-70(24)-20
de curado
La idea del diseño de experimentos de Taguchi es la optimización por medio
de la identificación de los factores que afectan en cuanto a su magnitud y
variabilidad.
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16. Tabla 2. Nomenclatura de los experimentos propuestos y contenido de cada una de las variables de interés
Parte 2: Evaluación de NH y NC
Parte 1: Evaluación de MSS
Área Temp de
% vidrio Activante %Na O Area sup Mk
% vidrio %NaO2 Modulo SS
superficial Temp2Curado curado Mk
vidrio
CMV-HC1 0 NH 250 8 20 100
CMV-1 0 8 0 20 250 100
CMV-HC2 0 NC 350 10 40 100
CMV-2 0 10 0.5 40 350 100
CMV-HC3 0 1NH:1NC 450 12 60 100
CMV-3 0 12 1 60 450 100
CMV-HC4 0 7NH:2NC 550 14 2070120 100
CMV-4
CMV-HC5
00 14
2NH:7NC
1.5
650
2070(12)202070220
16
550 100
100
CMV-5
CMV-HC6 025 16
NH 2
350 2070(24)202070120
12 650 75100
CMV-HC7
CMV-6 2525 8NC 450
0.5 1460 2070220
550 7575
CMV-HC8
CMV-7 2525 1NH:1NC
10 550
1 16
2070(12)20 20 650 7575
CMV-HC9 25 7NH:2NC 650 8 40 75
CMV-8 25 12 1.5 2070(24)20 250 75
CMV-HC10 25 2NH:7NC 250 10 60 75
CMV-9 25 14 2 20 350 75
CMV-HC11
CMV-10 50
25 16NH 450
0 1640 40 450 5075
CMV-HC12
CMV-11 50
50 8NC 550
1 2070(24)20 60 350
8 5050
CMV-12
CMV-HC13 50
50 10
1NH:1NC 1.5
650 1020 450
2070120 5050
CMV-13
CMV-HC14 50
50 12
7NH:2NC 2
250 1240 550
2070220 5050
CMV-14 50 14 0 60 650 50
CMV-HC15 50 2NH:7NC 350 14 20 50
CMV-15 50 16 0.5 2070(12)20 250 50
CMV-HC16 75
CMV-16 75 8NH 550
1.5 10
40 2070220
650 25
25
CMV-HC17
CMV-17 75
75 10NC 650
2 1260 20 250 2525
CMV-18
CMV-HC18 75
75 12
1NH:1NC 0
250 2070(12)20 40 350
14 2525
CMV-19
CMV-HC19 75
75 14
7NH:2NC 0.5
350 2070(24)20 60 450
16 2525
CMV-20
CMV-HC20 75
75 16
2NH:7NC 1
450 8 20 550
2070120 2525
CMV-21
CMV-HC21 100
100 8NH 2
650 2070(12)20 60 450
14 0 0
CMV-22
CMV-HC22 100
100 10
NC 0
250 2070(24)202070120
16 550 0 0
CMV-23 100 12 0.5 20 650 0
CMV-HC23 100 1NH:1NC 350 8 2070220 0
CMV-24 100 14 1 40 250 0
CMV-HC24
CMV-25 100
100 7NH:2NC
16 450
1.5 1060 20 350 0 0
16
CMV-HC25 100 2NH:7NC 550 12 40 0

17. ETAPA 3 “optimización”
Los resultados de RMC a 28 ó 90 días permitirán determinar las condiciones y
formulaciones óptimas (4 muestras)
•RMC
•CIC
•DRX
•MEB
•EDS
Las muestras con mejor RMC se analizarán para estudiar la evolución de los productos
de reacción y su comportamiento mecánico.
Dulce Esmeralda Ortega Zavala 17

18. 6. CRONOGRAMA
Tabla 3. Distribución de las actividades programadas
Tiempo (meses)
ACTIVIDADES 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 Revisión bibliográfica ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ
Etapa 1: Preliminar
2 Acondicionamiento de materia prima ʘ
3 Pruebas de aprendizaje ʘ ʘ
4 Caracterización
Etapa 2: Formulación, elaboración de muestras y caracterización mecánica
5 Cálculo de formulaciones ʘ
6 Preparación de muestras de cementos compósitos ʘ ʘ
7 Resistencia a la compresión ʘ ʘ ʘ
8 Calorimetría isotérmica por conducción ʘ ʘ ʘ ʘ
9 Difracción de Rayos X ʘ ʘ ʘ
10 Microscopia electrónica de barrido ʘ ʘ ʘ
11 Análisis de resultados ʘ ʘ
12 Entrega del reporte de AVANCE ʘ
Etapa 3: Optimización
13 Preparación de la mejor formulación óptima ʘ ʘ
Caracterización por MEB, Calorimetría por conducción,
14 ʘ ʘ
Resistencia a la compresión, DRX
15 Discusión de resultados ʘ ʘ
16 Análisis y discusión de conclusiones ʘ ʘ ʘ
18
17 Escritura de Tesis ʘ ʘ ʘ ʘ ʘ