Cada año, la industria minera genera una gran cantidad de residuos mineros. El almacenamiento de estos residuos ocupa grandes extensiones de tierra y conduce a altos costos monetarios, ambientales y ecológicos. En esta investigación, se realizó un estudio de viabilidad en geopolimerización de residuos de minería, para que estos puedan ser reciclados y utilizados como material de construcción. Teniendo en cuenta la alta relación de Silicio y aluminio (Si / Al) de los residuos de minería, fly ash de clase F se usan para ajustar la relación de Si / Al. El hidróxido de sodio (NaOH) se utiliza como agente de reacción alcalina. La investigación consta de ensayos de compresión no confinada para evaluar las propiedades mecánicas, microscopía electrónica de barrido (SEM) de imágenes para investigar la microestructura, y la difracción de rayos X (DRX) para estudiar las composiciones de fase. Los efectos del contenido de fly ash (que afecta la relación Si / Al), la alcalinidad (NaOH de concentración), y el tiempo de curado en la geopolimerización de residuos de minería son estudiados de forma sistemática. Los resultados muestran que la relación Si/Al y la alcalinidad tienen profundos efectos sobre las propiedades mecánicas y micro-estructurales de los residuos mineros basados en geopolímeros. El tiempo de curado afecta las propiedades mecánicas y microestructurales de los residuos mineros basados en geopolímeros principalmente durante los primeros 7 días. Sobre la base de la investigación, se puede concluir que las escombreras son un material de construcción viable y prometedor, si la tecnología de geopolimerización se utiliza.

1. Introducción y antecedentes

Los residuos mineros son materiales de desecho producidos por las operaciones mineras y de cribado [1]. Se ha producido un rápido crecimiento de la generación de residuos mineros en las últimas décadas [2,3]. La eliminación de residuos mineros ha sido una gran preocupación en la industria minera. En la práctica actual, los residuos mineros generados son recogidos y transportados en forma de pasta o pulpa y dispuestos en grandes presas de residuos, lo cual es costoso y utiliza grandes extensiones de tierra. La eliminación de residuos mineros en los embalses también puede causar problemas ambientales y de seguridad, incluida la contaminación de las aguas superficiales, las aguas subterráneas y los suelos, y la falta de presas de residuos. Por lo tanto, los investigadores han estudiado la estabilización de los residuos de minería, para que puedan ser utilizados como materiales de construcción. Por ejemplo, Sultan [10,11] investigaron la factibilidad del uso de residuos de minería de cobre estabilizados en la construcción de carreteras. El estudió las propiedades de ingeniería de tratamiento, cemento estabilizado y asfalto estabilizado de residuos mineros, incluyendo las características de compactación, resistencia a la tracción, resistencia a la compresión y resistencia cortante (cizalladura), compresibilidad, permeabilidad y erosionabilidad por la lluvia.

Los resultados demuestran que los residuos mineros de cobre tienen buenas propiedades ingenieriles y puede ser fácilmente adaptado para el uso en la construcción de carreteras. Teredesai [12] llevó a cabo experimentos de laboratorio para evaluar el potencial de pile run chat (es decir, residuos mineros de las minas abandonadas) como material de base de la carretera. El

pile run chat se estabilizó con un 10% flash ash clase C (CFA) y el 10% polvo de horno de cemento (CKD), por separado. Los resultados de laboratorio muestran que la resistencia a compresión simple de pile run chat aumentaron significativamente debido a la estabilización mediante CFA y CKD como agentes estabilizantes. El módulo elástico de pile run chat también exhibió un aumento debido a la estabilización. La revisión de la literatura indica que la investigación actual sobre la estabilización de residuos mineros es limitada y se centra en la estabilización con cemento, cal u otro material que contenga una cantidad suficiente de calcio. La estabilización de los residuos de minería basado en la reacción con el calcio, sin embargo, tiene una serie de limitaciones, tales como la resistencia al ácido bajo, pobre inmovilización de contaminantes, y el uso de alta energía y las emisiones de gases de efecto invernadero relacionadas con el Cemento Portland Ordinario (OPC). Para producir 1 tonelada de OPC, alrededor de 1,5 toneladas de materias primas se necesitan y 1 tonelada de CO2 es liberado a la atmósfera [1,13]. Incluso hoy en día, sólo un porcentaje muy pequeño de residuos mineros se reciclan y se utilizan como material de construcción.

Recientemente, un nuevo tipo de "cemento", llamado geopolímeros o polímero inorgánico, ha atraído la atención de muchos grupos de investigación. El geopolímero no sólo ofrece un rendimiento comparable al de OPC en muchas aplicaciones, sino que también presenta ventajas adicionales, tales como el rápido desarrollo de la resistencia mecánica, resistencia a la alta acidez, excelente adherencia a los agregados, la inmovilización de materiales tóxicos y peligrosos, y la reducción significativa de las emisiones de gases de efecto invernadero. Estas características han hecho que haya un gran interés de grupos de investigación como “un material ideal para el desarrollo sostenible” [1,14]. Los geopolímeros son esencialmente un material sintético de aluminosilicatos alcalinos producidos a partir de la reacción de un aluminosilicato sólido con un hidróxido alcalino altamente concentrado y/o solución de silicato. La reacción de geopolimerización puede ocurrir en temperatura ambiente o a una temperatura elevada [15]. En geopolimerización, los compuestos de sílice y alúmina se disuelve en la solución alcalina y, a continuación se enlazan entre sí para formar una estructura polimérica. Según Duxson y otros [16] y Dimas y otros [17], el proceso de geopolimerización incluye la disolución de materiales sólidos de aluminosilicato en una solución alcalina fuerte, la formación de oligómeros de sílice-alúmina, la policondensación de especies oligoméricas para formar un material polimérico inorgánico, y la unión de partículas sólidas no disueltas en la estructura de geopoliméricos final. Los geopolímeros, en general, tienen una fórmula química de

Donde M es el catión (sodio o potasio), n es el grado de polimerización, z es el factor de cuantificación para la cantidad de unidades de monómero de SiO2 (típicamente 1, 2, o 3), y w es la cantidad de agua de enlace que pueden ser de hasta 7 [18]. Basándose en el valor de z, tres tipos de oligómeros se pueden formar: poli sialato (PS) (-Si-O-Al-O-), poli-sialato siloxo (PSS) (-Si-O-Al-O-Si -O-), y poli-sialato disiloxo (PSDS) (-Si-O-al-O-Si-O-Si-O-) que tiene la densidad más alta y la más baja porosidad y se obtiene por el empaque de SiO2 en la red polimérica de PSS [19]. Cada tipo de

oligómeros tiene cierta relación Si/Al que quiere decir que el tipo del oligómero puede ser identificado por la relación de constitución de las especies de sílice y alúmina.

Hasta ahora la investigación sobre geopolímeros se ha centrado en la utilización de la caolinita, fly ash, escoria de alto horno y como fuente de material de aluminosilicato [20-23]. Muy pocos investigadores han estudiado la geopolimerización de residuos mineros [24-27]. Dado que los residuos de minería son ricos en sílice y alúmina, que pueden ser utilizados como material de partida potencial para la producción de geopolímeros. En este trabajo se estudia la viabilidad de geopolimerización de residuos de las minas de cobre. Específicamente, residuos de minería con diferente cantidad de fly ash añadido aremixed con hidróxido de sodio (NaOH) para producir geopolímeros. Diferentes factores tales como la proporción sílice-alúmina (Si/Al), la concentración de NaOH, y el tiempo de curado se examinan. Pruebas no confinadas de compresión se llevaron a cabo para investigar las propiedades mecánicas de los geopolímeros producidas en diferentes condiciones. Microscopía electrónica de barrido (SEM) de imágenes y difracción de rayos X (XRD) de los análisis también se realizaron para investigar la microestructura y las fases de material de geopolímeros en diferentes condiciones.

2. Materiales y métodos

2,1. Materiales

Los materiales utilizados en esta investigación incluyen residuos mineros de cobre, fly ash clase F, hidróxido de sodio (NaOH) grado reactivo 98% y agua desionizada. Los residuos mineros fueron recibidos en forma de polvo seco de las operaciones de la misión minas de Asarco LLC en Tucson, Arizona. La fly ash fue provista por Boral Inc. Materiales Tecnologías en Phoenix, Arizona. Las fly ash se originaron a partir del carbón del “rancho Lee” y las minas “El Segundo”en Nuevo México. La Tabla 1 muestra la composición química de los residuos de minería y la fly ash. Se puede observar que tanto los residuos de minería y la fly ash consisten principalmente en sílice y alúmina con una cantidad sustancial de calcio y hierro. El análisis de la distribución del tamaño del grano se realizó para los dos residuos mineros como para las fly ash por tamizado mecánico y el análisis hidrómetro siguiendo la norma ASTM D6913 y ASTM D422. La figura. 1 muestra las curvas de distribución de tamaño de partícula.

Los residuos mineros tienen un tamaño medio de partícula alrededor de 120 µm con 36% de las partículas pasando el tamiz No. 200 (75 µm), mientras que la fly ash es mucho más fino con un tamaño medio de partículas alrededor de 12,7 µm y 90% de las partículas pasan por un tamiz Nº 200 (75 µm). SEM imágenes se realizaron en las escombreras y en volar polvo de ceniza. La figura. La figura 2 muestra las micrografías SEM de los residuos mineros y en fly ash polvo. Las partícula de los desechos de minería tienen formas irregulares, mientras que las partículas de fly ash son esferas lisas. Algunas de las partículas grandes de los residuos de minería se forman por la floculación de las partículas más finas. Fly ash contiene algunas esferas rotas con huecos con

partículas más finas en el interior. El peso específico de los residuos mineros yde las partículas de fly ash son, respectivamente, 2,83 y 2,18.

Los gránulos de hidróxido sódico se obtuvieron de la compañía Alfa Aesar, en Ward Hill, Massachusetts. La solución de hidróxido de sodio se preparó por disolución de los gránulos de hidróxido de sodio en agua desionizada.

2,2. Métodos

Para producir la pasta de geopolímeros, primero residuos mineros secos (MT) y fly ash secas (FA) en un contenido de FA seleccionada fueron mezcladas completamente y después la mezcla de MT/FA se mezcló con la solución de hidróxido de sodio de una concentración seleccionada. Teniendo en cuenta el calor generado, la solución de hidróxido de sodio se dejó enfriar tiempo suficiente antes de utilizarse. El hidróxido de sodio (NaOH) se añadió lentamente a la mezcla de MT/FA y la mezcla resultante se agitó mediante un mezclador durante al menos 10 minutos para asegurar la disolución suficiente de sílice y alúmina en la solución alcalina. La pasta geopolimérica resultante se vertió a continuación en moldes cilíndricos de Plexiglas de 34,50 mm de diámetro interior y 86,25 mm de longitud (es decir, una relación de aspecto de 2,5). Para garantizar la condición consistente para todas las muestras y estudiar el efecto de los factores deseados, una proporción constante de agua a sólido (tanto MT y FA fue utilizado para todas las muestras.

La viscosidad de las pastas producidas aumentó ligeramente a una mayor concentración de NaOH y menor contenido de FA, pero el ligero cambio en la viscosidad no afectó significativamente la trabajabilidad y todas las pastas producidas pueden ser fácilmente vertidas en el molde. Después de que el molde se llena con la pasta geopolimérica, se agitó durante 2 min para liberar las burbujas de aire atrapadas. Entonces, el molde se cubre con una tapa de plexiglás y la muestra se colocó en un horno a 60°C para el curado. Las muestras que contienen FA fueron de-moldeado después de 3 h y se colocaron nuevamente en el horno para el curado prolongado, mientras que las muestras que no contienen FA (100 MT%) se desmoldaron después de 24 h debido a la lentitud de ajuste.

Totalmente, fueron usados cinco FA contenidos (es decir, 0%, 25%, 50%, 75% y 100% en peso total seco de la MT/FA mezcla) para el material de origen y tres concentraciones de NaOH (es decir, 5, 10 y 15 M ) para la solución de hidróxido de sodio. El agua para el total de material sólido (MT y FA) proporción de 27% se usó para todas las muestras. Diferente duraciones de curado fueron considerados.

Pruebas de compresión no confinada se realizaron sobre las muestras curadas cilíndricas con una máquina de ELE Tri carga Flex 2 a una velocidad de carga constante de 0,1 mm/min. Las pruebas se realizaron para medir la resistencia a la compresión no confinada (UCS) de geopolímeros producidas en diferentes condiciones. Para cada condición, teniendo en cuenta la variación relativamente pequeña de las mediciones, se ensayaron tres muestras y la media de los valores medidos se utilizó. Antes de realizar la prueba de compresión, las superficies extremas de las muestras se pulieron para asegurarse de que sean exactamente planas y paralelas. Además, las

superficies finales fueron lubricadas para minimizar la fricción entre la muestra y los platos de acero.

Para investigar la composición microestructural y la fase de los geopolímeros, se llevaron a cabo imágenes en un microscopio electrónico de barrido (SEM) y análisis de difracción de rayos X. La formación de imágenes SEM de las muestras de geopolímeros se realizó en modo SE convencional utilizando la FEI INSPEC-S50/Thermo-Fisher Noran microscopio 6. En total, fueron estudiadas siete muestras, incluyendo dos muestras MT y FA en polvo y cinco muestras de geopolímeros con diferentes concentraciones de NaOH y duraciones de curado. Las superficies recién fallidas de los ensayos de compresión no confinada, sin pulir para mantener la superficie fracturada "no contaminada", se utilizaron para la formación de imágenes SEM. Cinta de carbono se utilizó para conectar a tierra las muestras. Las muestras geopoliméricas no estaban recubiertas; pero las muestras de polvo fueron recubiertas por Denton Vacuum Desk II oro/paladio sputter a 50 militorr durante 1 min.

La Tabla 2 resume la combinación de las variables estudiadas y los diferentes tipos de pruebas realizadas. Tres muestras se ensayaron para cada combinación de variables.

3. Análisis de los resultados

3,1. Ensayo de compresión no confinada

Los resultados de la compresión no confinada del ensayo se muestran en las Figs. 3-6. Estas figuras muestran el efecto del contenido de FA, la concentración de NaOH y el tiempo de curado sobre las propiedades mecánicas de los residuos mineros basados en geopolímeros.

La figura. 3 muestra la resistencia a la compresión no confinada (UCS) de muestras después de 7 días de curado, con el contenido de FA diferentes y en diferentes concentraciones de NaOH. Tanto el contenido de FA y la concentración de NaOH tienen un efecto significativo en el UCS. El aumento de contenido de FA y el resultado en una mayor concentración de NaOH en aumento con UCS.

El efecto del tiempo de curado en UCS se investigó mediante la medición de la resistencia a la compresión de las muestras después de un tiempo de curado diferente. La muestra sintetizada con tres contenidos de FA (25%, 50% y 75%), a 10 M NaOH y el curado durante 2, 7, 14 y 28 días fueron probados. La figura. 4 muestra los resultados de la prueba. Una gran parte de la resistencia a la compresión final se obtiene dentro de 2 días y las muestras alcanzan su resistencia final a la compresión en 7 días. Después de 7 días, la resistencia a la compresión final no presenta cambios esenciales.

La figura. 5 muestra las curvas de tensión-deformación de las muestras de geopolímeros sintetizados con tres contenidos diferentes FA, a 10 M NaOH y después de un tiempo de curado diferente. Estas curvas son la mitad de las tres curvas tensión-deformación obtenidas en cada

condición. Debido a las pequeñas variaciones en las medidas, usando ya sea la curvas superiores en lugar de las inferiores no se afectará la comparación entre diferentes curvas tensión -deformación. Se puede observar que el esfuerzo máximo (esfuerzo correspondiente a la tensión igual a UCS) de las muestras de geopolímeros tiende a aumentar con el contenido de FA.

Las muestras con bajo contenido de FA fallaron sin punto de fallo distinto en la curva de esfuerzo-deformación, mientras que las muestras con alto contenido de FA colapsaron abruptamente con un fuerte pico en la curva de esfuerzo-deformación. Una mayor concentración de NaOH también conduce a un esfuerzo de deformación más grande, que se puede ver claramente a partir de las curvas tensión-deformación en la fig. 6.

3,2. SEM imágenes

La formación de imágenes SEM se realizó para estudiar el efecto de la concentración de NaOH y el tiempo de curado sobre la microestructura de los geopolímeros. Las micrografías SEM se muestran en las Figs. 7-9. Para investigar el efecto de la concentración de NaOH en la microestructura de la matriz geopolimérica, se realizaron imágenes SEM sobre muestras sintetizadas a los 5, 10 y 15 M NaOH respectivamente (ver Figs. 7 y 8). La figura 7 muestra la comparación entre micrografías SEM correspondientes a diferentes concentraciones de NaOH de aumentos bajos.

Menos partículas individuales FA pueden ser vistas cuando la concentración de NaOH aumenta, indicando claramente mayor grado de geopolimerización a mayor concentración de NaOH. La figura. 8 muestra las micrografías de las mismas muestras, pero en ampliaciones más altas. Se puede observar que a medida que aumenta la concentración de NaOH, resulta una estructura más compacta con una cantidad más grande de los geles de geopolímeros. Los geles geopolímericos a 15 M NaOH también parecen más gruesos que las de 5 o 10 M NaOH, que es debido a la mayor concentración de NaOH y por lo tanto mayor grado de disolución de partículas de FA y MT. Otra característica importante, que se puede ver en la figura 8c, es el gran número de partículas FA rotas. Estas partículas rotas de FA son probablemente generadas debido a la disolución fuerte a alta concentración de NaOH y al paso de la superficie de falla a través de las partículas de FA.

Las micrografías SEM de las muestras de geopolímeros sintetizadas con 50% FA, a 10 M NaOH y curadas a 2, 7 y 28 días se muestran en la figura 9. La comparación de estas micrografías muestran que no hay ningún cambio significativo en la microestructura de las muestras de geopolímeros después de 2 días, apoyando los resultados de la compresión no confinada que una gran parte de la UCS se gana en 2 días.

3,3. Los análisis DRX (rayos X)

Los patrones de DRX de polvo de desechos de la minería, el polvo de fly ash, y las muestras de geopolímeros se muestra en la figura 10 en dos escalas de manera que tanto las fases cristalina y amorfa se puede ver claramente. El patrón de DRX de los residuos de minería muestra que consisten principalmente de minerales cristalinos, en el que la sílice cristalina o cuarzo (SiO2) es el

componente principal. La alúmina cristalina existe en minerales tales como feldespato anortita (CaAl2Si2O8) y labradorita ((Ca, Na)(Al, Si) 4O8).

Yeso (CaSO4·2H2O) y cuprita (Cu2O) también son detectados como los picos cristalinos. El patrón de difracción de rayos X de polvo de la ceniza volante muestra que se compone principalmente de materiales cristalinos que incluyen sílice y mullita. La fase amorfa del polvo de fly ash aparece como una protuberancia amplia que se extiende desde 16 hasta 44°. Esta fase también se puede observar en las muestras de geopolímeros. Los patrones de DRX de las muestras de geopolímeros de 50% FA muestran que los picos cristalinos caen después de la disolución de geopolimerización que indica la fase cristalina. Los patrones de DRX de las muestras curadas de los 2 y 28 días muestran una ligera reducción en la intensidad de los picos cristalinos que indica una mayor disolución de la sílice y de alúmina componentes después de 2 días.

4. Discusión

4,1. Efecto de la relación Si / Al en UCS

El aumento de UCS con contenido de FA puede ser explicado por la relación Si/Al de la mezcla de MT/FA y la diferencia entre la reactividad de las partículas de MT y el FA. Relación Si / Al es uno de los factores más importantes que afectan a geopolimerización. La investigación indica que a fin de obtener un geopolímero con la fuerza máxima, la relación Si /Al, en general, debe estar en el intervalo de 1-3, el valor específico depende del material de base utilizado [19, 22, 28-32]. La fórmula química propuesta por Davidavits [18] para geopolímeros muestra que en general la relación Si/Al puede tomar valores de 1, 2, o 3. Cheng y Chiu [28] reportaron que una relación Si/Al de 1,58 a 1,73 (SiO2/Al2O3 = 3.16 a 3.46) da como resultado los más altos valores de resistencia para la mezcla de metacaolín y escorias de altos hornos. Xu y Van Deventer [22] probaron diferentes combinaciones de caolinita, albita y fly ash. Sus resultados mostraron que los geopolímeros sintetizados con la mezcla de los tres materiales y la mezcla de caolinita y fly ash con las correspondientes relaciones Si/Al de 2,1 y 2, respectivamente, tienen la mayor resistencia a la compresión.

Duxson y otros [29] estudiaron el efecto de la relación Si/Al sobre la microestructura y propiedades mecánicas de geopolímeros a base de metacaolín. Variaron la relación Si/Al de 1,15 a 2,15 y encontraron 1,9 como la relación correspondiente a la resistencia a la compresión máxima. Sin embargo, Stevenson y Sagoe Crentsil-[30] reportaron la óptima relación Si/Al de 1,75 a 1,9 (SiO2/Al2O3 = 3.5 a 3.8) para geopolímeros a base de metacaolín. Del mismo modo, Silva y otros [31] obtuvieron la óptima relación Si/Al de 1.7 a 1.9 (SiO2/Al2O3 = 3.4-3.8) para geopolímeros derivados de metacaolín cuando la Al2O3/Na2O relación es igual a 0.8-1.0. Zheng y otros [32] demostraron que una relación Si/Al cerca de 2,0 es el óptimo para el incinerador de residuos sólidos municipales (IRSU) de geopolímeros derivados de fly ash. Los intervalos óptimos de la relación Si / Al se resumen en la figura. 11.

El MT y el FA tiene una relación Si/Al, de 7,8 (SiO2/Al2O3 = 15,6) y 1,89 (SiO2/Al2O3 = 3,78), respectivamente. Mediante la adición de la FA en la MT, la relación Si/Al disminuye y se acerca a los rangos óptimos mostrados en la figura. 11. Basándose en el contenido de FA, la relación Si/Al de la mezcla de MT/FA puede ser simplemente calculado y la fig. 12 puede ser obtenida a partir de la figura 3 mediante la sustitución del contenido de FA con la correspondiente relación Si/Al. El UCS es el más alto cuando Si/Al = 1,89 y disminuye con el valor mayor de Si/Al. La figura 13 compara los resultados del experimento actual con los de la literatura. En la figura, el UCS normalizado es el UCS dividido por el correspondiente UCS máximo a la misma condición.

Por ejemplo, para el experimento actual, el UCS normalizado es el UCS dividido por el máximo UCS obtenido a la misma concentración de NaOH y después del mismo tiempo de curado. La tendencia general de los resultados experimentales actuales está en concordancia con los de la literatura. La relación Si/Al de 1,89 a más alto el UCS es muy cercano a la media de las óptimas relaciones Si/Al obtenidos por otros investigadores.

Además de la relación Si/Al, la mayor reactividad de las partículas FA en comparación con la reactividad de que las partículas MT también se puede explicar por el aumento de UCS con adición de FA. Para materiales con una mayor reactividad, más de sílice y de alúmina especies se disuelven y se incorporan en geopolimerización. Reactividad de los materiales se puede vincular a la finura de las partículas. Puesto que la reacción se produce en la interfase partícula-líquido, las partículas más finas tienen una mayor área de superficie específica y por tanto son más reactivos que los de mayor tamaño [33]. Las partículas de FA tienen un tamaño medio de aproximadamente 12,7 lm mientras que las partículas de MT tienen un tamaño medio de aproximadamente 120 lm. Debido al tamaño más pequeño y en consecuencia, mayor área superficial específica, las partículas de FA tiene una mayor reactividad de las partículas de MT a la solución de NaOH.

Para materiales con una mayor reactividad, más especies de sílice y de alúmina se disuelven y se incorporan en la geopolimerización. La reactividad de los materiales se puede vincular a la finura de las partículas. Puesto que la reacción se produce en la interfase partícula-líquido, las partículas más finas tienen una mayor área de superficie específica y por tanto son más reactivas que las de mayor tamaño [33]. Las partículas de FA tienen un tamaño medio de aproximadamente 12,7 µm mientras que las partículas de MT tienen un tamaño medio de aproximadamente 120 µm. Debido al tamaño más pequeño y en consecuencia, mayor área superficial específica, las partículas de FA tiene una mayor reactividad de las partículas de MT a la solución de NaOH.

4,2. Efecto de la concentración de NaOH

La solución alcalina desempeña dos funciones importantes durante la geopolimerización, la disolución de las especies de sílice y de alúmina y de equilibrio de carga de las especies de alúmina proporcionando cationes metálicos [30]. Los resultados experimentales actuales muestran un aumento de la UCS con la concentración de NaOH, que también se reportó por otros investigadores [34-36]. El aumento de la UCS con una mayor concentración de NaOH se debe principalmente a la disolución de más de sílice y componentes de alúmina y por lo tanto la

incorporación de mayores cantidades de sílice y alúmina en los componentes de la geopolimerización. Sin embargo, se ha informado de que este efecto es cierto sólo hasta un cierto nivel, después de lo cual el aumento de la concentración de NaOH no dará lugar a una mayor resistencia [36-38]. Esto podría ser debido a la presencia de exceso de iones Na (o K si se utiliza una solución de KOH) en el marco de geopolímeros [37]. Panagiotopoulou y otros [38] demostraron que la lixiviación de sílice en solución de NaOH para diferentes materiales de base aumenta hasta 10 M y el aumento de la alcalinidad no conduce a la disolución adicional de sílice. Sin embargo, el actual experimento muestra que los aumentos de SCP con alcalinidad de hasta al menos 15 M, el cual es probablemente debido al alto grado de disolución de la sílice cristalina y de alúmina y a las reacciones puzolánicas para formar geles CSH. La primera posibilidad se puede ver claramente a partir de las micrografías SEM en la fig. 8, que muestran mayor contenido de geles de geopolímeros y más partículas FA rotas en condiciones elevadas de alcalinidad. La formación de geles CSH, como resultado de la concentración de alcalinidad elevada y la presencia de suficiente calcio ha sido reportado por diferentes investigadores [36,39-43,45], que puede ayudar a explicar el efecto de mejora de alta alcalinidad en el UCS. Los geles CSH formados llenan los vacíos en la matriz geopolimérica y conducen a una microestructura más fuerte [26,27,44,45]. Dado que tanto el MT y el FA contienen una cantidad sustancial de calcio, los geles CSH que se podrían haber formado contribuyen a una mayor UCS.

La contribución de los geles CSH para el producto final de álcali de calcio activado que contiene aluminosilicatos alcalinos en ambas concentraciones bajas y altas (tan alto como 24 M) y la coexistencia de CSH y geles geopolímeros han sido reportados por muchos investigadores [26,27,36,39-46]. Sin embargo, la formación y la contribución de geles CSH son diferentes en concentraciones altas y bajas de álcali activador [39,40,46,47]. A bajas concentraciones alcalinas (valores bajos de pH), el calcio puede ser relativamente de fácil disolución para la formación de geles CSH. A altas concentraciones alcalinas (valores altos de pH), la disolución de calcio en la solución activadora se ve obstaculizada por los iones OH-, pero la formación de geles geopoliméricos y la participación de OH-en la red geopolimérica disminuiye el valor de pH y por lo tanto lleva a la disolución de calcio y a la formación de geles CSH [39,40].

El porcentaje medido de especies de sílice fijados como geles CSH muestra aumento de la alcalinidad aunque el porcentaje de sílice fijado como geles de geopolímeros crece aún más rápido [39,40].

Además de la disolución de las especies de sílice y alúmina, la segunda función de la solución alcalina es proporcionar cationes metálicos para cargar-balancear los grupos de alúmina. La relación Na/Al es un factor importante que afecta a la estructura de los geles geopoliméricos. Las relaciones Si/Al y Na/Al usados en esta investigación se muestran en la Tabla 2. Dependiendo de la concentración de NaOH y del contenido de FA, la relación Na/Al varía desde 0,26 hasta 2,88. Los investigadores han utilizado diferentes relaciones Na/Al que van desde 0,38 hasta 2,06 [18,23,30,31,48-50]. Los resultados muestran que la relación óptima de Na/Al es alrededor de 1 [51]. Una proporción demasiado alta de Na Al dará lugar a cationes de metal en exceso en la red polimérica y afectaran negativamente a las propiedades mecánicas de geopolímeros [30], lo que

puede explicar el aumento muy pequeño de UCS 15 M NaOH y la concentración de 0% FA (correspondiente a una relación Na/Al de 2,88).

4,3. Curado efecto del tiempo

Los resultados de la prueba muestran que todas las muestras de geopolímeros alcanzan su resistencia máxima dentro de los 7 días y una porción importante de la resistencia máxima (aproximadamente 80%) se obtuvo en tan sólo 2 días. Aunque las partículas de FA son más reactivas que las partículas de MT, la tasa de cambio en las propiedades mecánicas con el tiempo de curado es casi el mismo para los especímenes con contenido diferente de FA. Van Jaarsveld y otros [52] mostraron que sólo la fase amorfa es responsable del desarrollo de resistencia con el tiempo ya que ningún cambio en la fase cristalina tiene lugar con el tiempo. Los patrones de XRD de las muestras después del diferente tiempo de curado (Fig. 10) no muestran ningún cambio significativo ni en la fase amorfa o cristalina después de 2 días, aunque la magnitud de los picos cristalinos cae ligeramente debido a la disolución adicional. Esto puede explicar la pequeña variación de UCS después de 2 días.

5. Resumen y conclusiones

Este trabajo presenta los resultados de un estudio de viabilidad sobre la utilización de los residuos mineros como material de construcción a través de la geopolimerización. Teniendo en cuenta la relación muy alta de Si/Al de los residuos de minería, las fly ash de clase F se usan para modificar la relación Si/Al. Con base en el estudio, se pueden extraer las siguientes conclusiones:

1. La relación Si/Al, la concentración de NaOH, y el tiempo de curado son tres factores importantes que afectan el comportamiento de FA modificados MT basados geopolímeros en:

La resultados de la adición de FA a MT en mayor UCS y mayor esfuerzo de deformación de los MT basados en geopolímeros. La imagen SEM muestra la formación de la microestructura más compacta aumentando el contenido de FA. El efecto de mejora de la adición de FA a MT se debe principalmente a la disminución de la relación Si/Al alcanzando el rango óptimo de la relación Si/Al.

Una mayor concentración de NaOH contribuye a la disolución de más de sílice y alúmina y a la formación de una mayor cantidad de geles geopoliméricos y, consecuentemente resultados en mayor UCS y mayor esfuerzo de deformación del geopolímeros a base MT.

Los geopolímeros basados en MT alcanzan su resistencia máxima dentro de los 7 días y una porción importante de la resistencia máxima (aproximadamente 80%) se obtuvo en tan sólo 2 días. Sin ganar fuerza evidente y evolución de la microestructura ocurrió después de 7 días.

2. Como resultado, la resistencia a la compresión de la geopolímeros basados en MT se pueden controlar ajustando el contenido de FA y la concentración de NaOH. Los geopolímeros basados en MT sintetizados mediante la variación de estos factores muestran UCS que van desde 1,37 hasta 21,2 MPa. Así, los geopolímeros en base a MT son un material de construcción viable y prometedor que puede ser adaptado para diferentes aplicaciones.

AgradecimientosEste trabajo es apoyado por la Fundación Nacional de la Ciencia con la beca No. CMMI-0969385 y la Universidad de Arizona Facultad Seed Grants Program. Los autores agradecen las Operaciones Mineras de misión de ASARCO LLC (Dr. Krishna Parameswaran) y Boral Material Technologies Inc. (Sr. David Allen) para la prestación de relaves mineros y fly ash utilizadas en esta investigación.

FLY ASH

http://www.spc.com.do/index.php/menu-productos-servicios/menu-1-aditivos/menu-1-especiales/38-fly-ash-articulo

http://www.curacreto.com.mx/productos-para-concreto/aditivos/fly-ash-tipo-f-ceniza-volante.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Cenizas_volantes

ANALISIS HIDROMETRO

http://suelosudea.blogspot.com/p/analisis-granulometrico.html

failure strain: esfuerzo máximo, esfuerzo de deformacion

fly ash: cenizas volátiles

METACOALÍN

http://teoriadeconstruccion.net/blog/?p=1939

http://www.revista.unal.edu.co/index.php/dyna/article/view/942/11633