Optimización de la resistencia mecánica de cementos binarios MK/GBFS activados alcalinamente por Metodología de Superficie de Respuesta

Mechanical Strength Optimization of Alkali-Activated MK/GBFS Binary Cements Through the Response Surface Methodology

El presente artículo muestra la modelación y optimización de la resistencia a la compresión de un conglomerante no convencional libre de cemento Portland, el cual fue producido a partir de la activación alcalina de una mezcla binaria de un metacaolín (MK) y una escoria siderúrgica de alto horno (GBFS). Como factores de estudio se consideró una relación GBFS/(GBFS/MK) entre 0,0-0,8 y una relación molar total SiO₂/Al₂O₃  entre 2,8-4,2. La relación SiO₂/Al₂O₃  fue ajustada a través de la contribución del precursor (MK+GBFS) y el activador alcalino. La evaluación estadística mediante la metodología de superficie de respuesta (MSR) mostró un efecto significativo entre la relación molar SiO₂/Al₂O₃  y el contenido de GBFS sobre la resistencia a compresión. Complementariamente se desarrolló una caracterización microestructural a través de difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido. La incorporación de GBFS incrementó la cinética de reacción y la formación de una estructura más densa y compacta. Estos nuevos productos de reacción le otorgaron al material un mayor desempeño mecánico comparado con los constituidos con un 100 % de MK.

1 INTRODUCCIÓN

Los cementos de activación alcalina hacen referencia a la utilización de un mineral de naturaleza amorfa basado en aluminosilicato (llamado precursor) y un agente alcalino (activador) para iniciar una serie de reacciones que pueden llegar a producir un material con propiedades cementantes. El primer estudio sobre cementos libres de clínker basados en la activación alcalina de una escoria y NaOH fue realizado por Purdon en 1940 [1]. Glukhovsky en 1967 desarrolló un cementante a partir de una arcilla y soluciones constituidas con metales alcalinos [2] y más adelante en 1979 Davidovits otorgó el nombre de geopolímeros a los cementantes producidos a partir de la activación alcalina de minerales basados en aluminosilicatos, específicamente aquellos constituidos con arcillas calcinadas [3]. En 1960, debido a la escasez del cemento Portland (OPC) en la Unión Soviética, y ante la necesidad de construir infraestructuras de vivienda y transporte, canales de riego y drenajes, entre otros, se hizo uso de materiales producidos a partir de la activación alcalina de escoria siderúrgica de alto horno (GBFS) [4],[5]. A partir de la década de los años 70 y en especial en los últimos cinco años se ha publicado numerosa literatura científica sobre el tema, que recoge la información de diferentes investigaciones [4-8].

En general, cualquier material finamente molido que esté constituido por sílice (SiO₂) y alúmina (Al₂O₃), en estado amorfo, puede ser mezclado con una solución activante para obtener un material con características cementantes. En este sentido, se reconocen dos clases de precursores: Materiales ricos en calcio (> 40 %), tal como la GBFS o cenizas volantes tipo C (en base a la categorización propuesta por la norma ASTM C618-12a [9]), que al ser activados producen un gel de silicato cálcico hidratado (CSH, C-(A)-S-H).