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La tasa de producción de cemento a nivel mundial es de aproximadamente 3,5 millones de toneladas / año y crece exponencialmente. Esto se debe al uso del cemento en el área de la construcción, ya que cada tonelada de cemento portland produce una cantidad similar de CO2.

Hoy en día, se están utilizando materiales puzolánicos para sustituir en parte al material cementante del cemento Portland con el fin de mejorar el rendimiento en la hidratación del cemento. Estos materiales puzolánico mezclados con el cemento conceden propiedades y beneficios económicos, ecológicos y tecnológicos tales como reducción del consumo de energía, resistencia a la compresión, reducen el contenido de cal hidratada en el cemento Portland y obstruyendo los poros, mejorando así la resistencia a la rotura, la impermeabilidad, y durabilidad al ataque químico del cemento.Existen diferentes tipos de adiciones puzolánicos (puzolana natural, cenizas volantes y humo de sílice, escoria de alto horno), y cristalino (generalmente conocido como relleno).

Durante el último año el consumo promedio de arroz fue de 41,60 kilogramos de arroz, es decir que aproximadamente se consume en Colombia 2.011 millones de kilogramos de arroz, ya que en el país hay cerca de 48 millones de habitantes. (Fedearroz & Dane). La cascarilla de arroz (CA) un desecho producido a partir de este cultivo, cerca del 20%,el cual es amontonado en montañas sin ninguna utilización, en ocasiones este desecho es incinerado para reducir su volumen pero esto genera contaminación en el aire. Pero en la ceniza de cascarilla de arroz (CCA) hay oportunidades, pues contiene aproximadamente entre 80 -90% de Sílice amorfa, cuando se procesa adecuadamente, Martínez et al., (2010).La CCA es un tejido vegetal constituido por Celulosa y Sílice. Siendo la Sílice una alternativa para el sector de la construcción por sus características puzolánicas y su alta disponibilidad no solo en Colombia sino en todo el mundo, Mattey et al. (2015).

ELIANA RODRÍGUEZ CABRERA


Ingeniera de materiales - Universidad del Valle

TÍTULO DE LA INVESTIGACIÓN:

OBJETIVO:

RESEÑA:

Obtención de nano-sílice a partir de la cascarilla de arroz por método sol- gel para aplicación en morteros de cemento.

Desarrollar un tipo de nanosílice por la técnica de sol-gel con base al desecho industrial cascarilla de arroz para producir morteros de cemento con propiedades mecánicas y de permeabilidad óptimas.


En promedio, el 20% del arroz y cebada es cascarilla de arroz, estos residuos contienen grandes proporciones de ceniza y sílice, que en gran medida afecta las propiedades del concreto. Al quemar las cáscaras bajo temperatura y atmosfera controlada se obtiene una ceniza muy reactiva. La propiedad más importante de ceniza de cáscara de arroz es la actividad puzolánica es determinado por el contenido de fase amorfa.

La cascarilla de arroz está compuesta principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina. Adicionalmente, posee una gran variedad de compuestos inorgánicos, entre los cuales el dióxido de silicio (SiO2), también llamado sílice, es su mayor constituyente.

Por medio del método sol-gel se obtendrá nanosílice, debido a su tamaño nano, posee diversas aplicaciones tecnológicas, como agentes tixotrópicos, aislantes térmicos, materiales de carga de material compuesto. Debido a que los átomos de silicio en la cáscara de arroz han sido naturalmente y uniformemente dispersado por unidades moleculares, el tamaño de partícula fino, con una alta pureza y el área de superficie del polvo de sílice puede ser preparado bajo condiciones controladas. Obteniendo una gran ventaja ya que reduce los problemas de contaminación (Liou, 2004).

La nanosílice habitualmente mejora las propiedades reológicas y mecánicas de los cementos, pues tienen mayor reactividad al tener mayor superficie de contacto, lo que incrementa su efectividad, estabilidad y propiedades. La nanosílice ayuda a la disminución de la permeabilidad y al aumento de resistencia mecánica, adquiriendo en los morteros de cemento o concreto una mayor durabilidad; como ya se ha expresado por su tamaño nanométrico y sus propiedades puzolánicas, puede agruparse en los poros pequeños de la pasta de cemento colmatando los mismos, disminuyendo las propiedades de transporte del hormigón y mejorando su durabilidad frente a: carbonatación, ataque ion cloruro, resistencia frente a abrasión y erosión Giron et al. (Agosto 2012).

Metodología Experimental

Se realizó un proceso sol-gel a partir de Silicato de Sodio (SS) obtenido de la CA la cual fue previamente lavada con ácido H2SO4 e incinerada 600°C durante dos horas, ya tratada con NaOH a 90 °C para obtener SS óptimo, finalmente se trató el SS de sodio con H2S04 4N para gelificar sílice con tiempos de gelificacion de 18 horas, la cual fue lavada con agua destilada y secada a 100°C.

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN:

- Caracterización de las materias primas- Granulometría laser ceniza de cascarilla de arroz.

El tamaño de partícula obtenido después de la calcinación de la cascarilla de arroz y una posterior molienda por molino de bolas se evaluó por medio de granulometría laser. La curva de distribución granulométrica se puede observar en la figura 1, en donde se muestra que se obtuvo un tamaño de partícula de 8,613 µm, tamaño que se considera óptimo para que este material pueda ser usado como una adición en morteros.



Figura1. Granulometría laser ceniza de cascarilla de arroz.

Difracción de Rayos X / Figura 2. Difractograma de a) CCA y b) CCA-H2SO4.

Se observa en el difractograma ceniza obtenida a 600ºC con un comportamiento característico de una fase amorfa, sin la presencia de picos cristalinos. La fase más representativa es en 20=21° para ambos espectros correspondiente a la sílice, lo demás corresponde a cristobalita y tridimita.


Figura3. Microscopia de la CCA

Tabla1. Composición química de la CCA

Figura 4. TGA de la CA limpia H2SO4

De la figura 4 se puede también diferenciar a partir de una temperatura aproximada de 184 ° C la zona activa de pirolisis, en la cual existe una evolución de los componentes volátiles generados durante la descomposición de celulosa y hemicelulosa primaria. Es aquí donde se presenta la mayor pérdida de masa, esto comprendido en un rango de temperaturas aproximado de 184°C -350°C. K.G. Mansaray et al., (1998), Shafizadeh, (1968), Ramiah, (1970); Koufopanos et al., (1989); K. Bilba et al., (2007); hacen referencia a las diferencias presentes en las temperaturas de descomposición de la celulosa hemicelulosa y lignina, atribuyendo la primera degradación

En la figura 3 se observa la superficie de una muestra de CCA tratada con ácido H2SO4, la cual se caracteriza por tener presenta la estructura simétrica de la CA constituida por celdas convexas (presencia de papilas simples), las cuales están separadas por surcos y granos de compuestos de silicio dispersos sobre toda la superficie.

En la siguiente tabla se puede observar el resultado de la caracterización realizada al CCA por medio de fluorescencia de rayos X, la cual nos permite conocer su composición química, donde se observa alto contenido de SiO2, proveniente de la cascarilla de arroz.


Figura 5. Microscopia de la Sílice.

Tabla 2. Especificaciones Técnicas Cemento Argos (Argos, 2010).

térmica a la descomposición de la hemicelulosa y estado inicial de descomposición de celulosa. Por su parte, a medida que se incrementa la temperatura en la zona activa de pirolisis, se pueden relacionar a los estados finales de la descomposición de la celulosa e iníciales de la lignina. Son los componentes celulósicos y hemicelulósicos los principales contribuyentes a la evolución de los compuestos volátiles, mientras que la lignina es responsable del producto de carbón ya a temperaturas más elevadas que las de la zona activa (temperaturas mayores a los 400 °C).

En los resultados del EDS se revela la composición del precipitado es SiO2, sin la presencia de impurezas, es decir que el procedimiento experimental es el correcto para sintetizar materiales silicios de alta porosidad y área específica superior a los 30m2g como lo revela el ensayo del BET con un resultado de 59.07m2g, confirmando área específica superior a la de las puzolanas convencionales como el humo de sílice.

Caracterización del cemento.

El tipo de cemento que se usó para la elaboración de las mezclas fue el cemento portland Tipo I de uso general de la marca comercial Argos S.A. Como se puede observar en la Tabla7, de acuerdo a los valores establecidos en las normas colombianas NTC 121 y 321, este cemento cumple con dichas especificaciones.


Tabla 3. Normas Técnicas para la caracterización de los agregados.

Tabla 4. Características agregados

Figura 6. Ensayos de Colorimetría agregados

Tabla 5. Resistencia a la comprensión 3 días de curado.Arena, Escala 2

Caracterización de la arena.

En la Tabla 3 se encuentran las normas técnicas utilizadas para caracterizar los agregados utilizados en la elaboración de los concretos.

Los resultados obtenidos en los ensayos de caracterización realizados a los agregados se presentan en la Tabla 4.

Para determinar el contenido de materia orgánica en los agregados se utilizó la norma técnica colombiana NTC-127, la cual arrojó los siguientes resultados.

En el contenido de impurezas en la arena natural se presentaron un valor de 2 como se ve en la Figura12, lo cual indica que el agregado puede ser utilizado en la elaboración de los morteros.

Se realizó una posterior mezcla con diferentes porcentajes de ceniza y una relación A/C de 0,6 obteniendo resistencias altas a solo tres días de curado.


Conclusiones

El tratamiento químico con H2SO4 es adecuado para eliminar las impurezas presentes en la cascarilla de arroz (Na, K, Ca, y Al, principalmente), y además afecta levemente la parte orgánica lo cual se puede comprobar con el difractograma mostrando menos contenido de impurezas en la muestra de CCA limpia.

El difractograma de rayos X de la ceniza de cascarilla de arroz obtenida después de someter la cascarilla a un tratamiento con H2SO4 -1 N y calcinarla a 600 ºC durante 2 horas, indica que es totalmente amorfa. Por otro lado, observando la muestra en polvo de SiO2 utilizando el SEM, se ve que las partículas no presentan ningún tipo de morfología definida y que el tamaño de partícula no es homogéneo.

Con el lavado de la CA y la posterior calcinación a 600°C se obtiene una ceniza blanca constituida principalmente de SiO2, con un alto valor de superficie específica. La realización del adecuado proceso de obtención de la genero altas resistencias a compresión, superando al patrón.

El área superficial específica de la sílice se determinó mediante el método BET utilizando la absorción de nitrógeno a 77°K, se observan valores elevados de superficies específicas por Sol-Gel 59.07m2g. La nanosílice es se caracteriza por presentar valores altos de superficie específica lo cual se pudo comprobar.

La resistencia a la compresión de los morteros adicionados con CCA demuestran valores 1.6 veces mayor a la muestra patrón, se espera que al adicionar sílice amorfa la resistencia a la compresión este aumente debido a su tamaño nano , su elevada área específica sin olvidar su estado amorfo.Finalmente, vale la pena resaltar que el proyecto se encuentra enmarcado en la línea de investigación: Nuevos Materiales Compuestos y Materiales Alternativos, que tiene activa el Grupo de Materiales Compuestos de la Universidad del Valle.

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