Geopolímeros de residuos con propiedades acústicas, térmicas, biocidas y autolimpiantes para revestimiento de fachada

Datos del proyecto

Referencia
US.20-14

Título
Geopolímeros de residuos con propiedades acústicas, térmicas, biocidas y autolimpiantes para revestimiento de fachada

Universidad
Universidad de Sevilla

Tema prioritario
3. Vivienda y Arquitectura, incluyendo los aspectos de la sostenibilidad y de la eficiencia energética, fomentando la racionalización de las intervenciones y los nuevos modos de convivencia, con especial atención en la vivienda social

Investigador/es principal/es
Constantino Fernández Pereira

Participantes en el proyecto
Constantino Fernández Pereira | Yolanda Luna Galiano | Carlos Leiva Fernández | Rosario Villegas Sánchez | Fátima Arroyo Torralvo | Luis Vilches Arenas

Entidades colaboradoras
-

Periodo de ejecución
2020-2022 (15 meses)

Presupuesto
28.397,73 €

Resumen

En el desarrollo de este proyecto se han caracterizado química, física y medioambientalmente las materias primas y residuos usados para preparar geopolímeros. Se han desarrollado geopolímeros basados en cenizas volantes y escoria de alto horno usando agentes activadores en solución acuosa y en fase sólida. Se han preparado geopolímeros porosos con un tensioactivo aniónico, un aditivo líquido aireante, y con sulfato de aluminio y carbonato cálcico (puro y en forma de residuo). Se ha estudiado la introducción de TiO2, añadiéndolo puro y en forma de residuo. Finalmente, a los materiales geopoliméricos fabricados se les ha medido sus propiedades físicas, mecánicas, térmicas, acústicas y medioambientales. También se han evaluado sus propiedades fotocatalíticas, tomando como referencia la norma ISO 10678, y el trabajo de Novais y colaboradores (Journal of Cleaner Production 171(2018) 783-794). Para ello, se ha estudiado la absorción de azul de metileno     usando pellets de geopolímeros como absorbente. Para las propiedades biocidas se han preparado placas de distintos geopolímeros, que fueron inoculadas con algas verdes y se fue midiendo el cambio de color para evaluar la proliferación de estas. Se han realizado ensayos de alteración acelerada (ensayo de ataque ácido, ensayo de hielodeshielo y ensayo de humedad-secado) para evaluar la durabilidad de los productos. Además, se han preparado placas de geopolímeros a gran escala de dimensiones 30x18 cm para evaluar su acabado. Se ha realizado un estudio económico y se han comparado los geopolímeros producidos con productos comerciales.

Actividades | Resultados

• A01_Caracterización de residuos y subproductos industriales | Ceniza volante, escoria de alto horno, el residuo de TiO2 han sido caracterizadas química, física, mineralógica y medioambientalmente. (Ver ANEXO).
• A02_Fabricación del geopolímero poroso | Se han fabricado geopolímeros porosos con distintos agentes espumantes, como sodio dodecil sulfato, líquidos aireantes, sulfato de aluminio y carbonato cálcico procedente de conchas de mejillón. (Ver ANEXO).
• A03_Adición de TiO2 | Se ha añadido un residuo de TiO2 a algunas muestras geopoliméricas y se les ha medido propiedades físicas, mecánicas y de resistencia al fuego. Se has preparado geopolímeros con TiO2 (Degussa). Los materiales han mostrado buena manejabilidad y trabajabilidad. (Ver ANEXO).
• A04_Estudio de propiedades físicas, mecánicas, acústicas, térmicas, medioambientales, fotocatalíticas, biocidas y autolimpiantes | Se han medido propiedades físicas, mecánicas, acústicas y térmicas de geopolímeros, geopolímeros porosos y geopolímeros con residuo de TiO2. Se han realizado ensayos biocidas y fotocatalíticos. (Ver ANEXO).
• A05_Estudio de durabilidad | La durabilidad de algunos geopolímeros se ha estudiado haciendo ensayos de alteración acelerada (ataque ácido, hielodeshielo, humedad-secado). (Ver ANEXO).
• A06_Ensayos a gran escala | Placas de 30x18 cm con buen acabado han sido fabricadas. (Ver ANEXO).
• A07_Estudio técnico-económico | Se ha realizado un análisis de costes de las materias primas usadas en la fabricación de los materiales y se ha evaluado el ahorro de no llevar los residuos al vertedero. (Ver ANEXO).
• A08_Protección de resultados. Divulgación. Informe final | Se han escrito tres artículos para tres revistas: Material Letters y Materials.

Difusión de los resultados

• Artículo científico_Salazar, P.A., Leiva Fernández, C., Luna-Galiano, Y., Villegas Sánchez, R. & Fernández-Pereira, C. (2022). Physical, mechanical and radiological characteristics of fly ash geopolymer incorporating titanium dioxide waste as passive fire insulating material for steel structure. Materials, 15(23), 8493. https://doi.org/10.3390/ma15238493. Disponible en este enlace.
• Artículo científico_Luna-Galiano, Y., Leiva, C., Villegas, R., Vilches, L. & Fernández-Pereira, C. (2022). Development of fly ash-based geopolymers using powder sodium silicate activator. Materials Letters, 320, 132346. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132346. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167577X22006991

Conclusiones y aportaciones a la Secretaría General de Vivienda

La fabricación de geopolímeros basados en cenizas volantes y escorias de alto horno usando activadores sólidos y activadores en fase acuosa es sencilla y permite obtener materiales con buena trabajabilidad, mostrando propiedades mecánicas y de durabilidad similares a las de otros materiales de construcción. La generación de poros en las matrices geopoliméricas se ha realizado de forma química, mediante la introducción de agentes endógenos generadores de poros (agua oxigenada y sulfato de aluminio- carbonato cálcico) y de forma mecánica, mediante la introducción de aire (líquidos aireantes) y tensioactivos para mantener la estructura de poros. El uso de agua oxigenada con líquidos aireantes más tensioactivos produjo materiales con elevada porosidad en comparación a los obtenidos cuando se usó sulfato de aluminio y carbonato sódico. La introducción de titanio en forma de residuo de titanio y de óxido de titanio puro en los geopolímeros, como sustitutivo de parte de las materias primas produce una mejora de las propiedades mecánicas hasta una sustitución del 30-40 % de ceniza. Desde el punto de vista de las propiedades térmicas se produce una mejora de la resistencia al fuego. En relación con las propiedades medioambientales, los geopolimeros producen una estabilización de los metales de los residuos, salvo en el contenido de arsénico, posiblemente debido a la alta alcalinidad de la matriz. Desde un punto de vista radiológico, los geopolímeros con el residuo de titanio (hasta un 40 %) podría ser usado sin peligro para la salud humana. Con respecto al ensayo fotocatalítico, el cual se hizo con pellets de geopolímeros con y sin residuo de titanio, se observaron eficiencias de adsorción de alrededor del 75 % en las muestras con residuo de titanio, obteniéndose el equilibro a las 24 h. En relación con el ensayo biocida de inoculación de algas verdes, también se hizo en los geopolímeros con y sin residuo de titanio, pero en placas. A lo largo del tiempo se observa un cambio de color en todas las placas, siendo menos significativo en las placas con residuo de titanio y con óxido de titanio puro, que en las muestras sin titanio.

Con el uso de los geopolímeros se puede contribuir a encontrar una salida a subproductos y residuos industriales que no se reciclan el 100 % y que, por tanto, tienen que ser llevados a vertedero. De este modo se cumplirían los objetivos planteados en la Directiva 2018/851 relativa al reciclaje de residuos. El uso de geopolímeros como elementos constructivos no estructurales de uso externo podría ser una alternativa a los materiales convencionales, aunque son necesarios estudios a más largo plazo para valorar su evolución a lo largo del tiempo.