Presentado en el V Seminario Peruano de Geoingeniería.

Por: Yibran Perera, Ahmadreza Hedayat, Nan Zhang y Linda Figueroa, Colorado School of Mines, y Héctor Bolaños, Reynaldo Canahua, Isaac Yanqui y Néstor Tupa, Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa.

Resumen

El presente artículo ofrece una descripción sobre la producción de materiales geopoliméricos a partir de relaves de minas (RM) de oro de la región Arequipa, Perú, y aditivados con nanopartículas de hidróxido de calcio (NHC) en concentraciones de 1, 2 y 3% en peso del RM. Se muestran los factores que afec tan el proceso de geopolimerización, sus características microestructurales, así como las propiedades mecánicas de los geopolímeros finales. 

Las técnicas de caracterización utilizadas en este estudio fueron Difracción de Rayos X (DRX), Microscopia Electrónica de Barrido (MEB), Espectroscopia de Energía Dispersiva (EDS), Microscopia Electrónica de Transmisión de Alta Resolución (MET-AR) y las propiedades mecánicas de los sistemas obtenidos se midieron a través de Pruebas de Compresión Uniaxial (PCU). Los resultados indican un incremento en la resistencia a la compresión de los sistemas geopoliméricos cuando son aditivados con las NHC.

Introducción

Materiales geopoliméricos a base de relaves de minas

Los materiales geopoliméricos son producidos a partir de la interacción química entre un aluminosilicato y una solución alcalina como hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), silicato de sodio (Na₂SiO₃), etc.^[1-6]. Los relaves de minería (RM) son aluminosilicatos genera- dos en procesos industriales durante la extracción de minerales como el oro, cobre, plata, zinc, molibdeno, plomo, estaño, etc. Los RM utilizados en este estudio provienen de minas de oro de la zona de Vitor, situada en Arequipa, Perú, cuya ubicación geográfica se puede apreciar en la Figura 1. Los minera- les de oro de Vitor se procesan mediante lixiviación con cianuro, que tiene una capacidad de procesamiento de 50 MT/día. Luego, estos RM son trans- portados hasta las presas de depósito.

Las muestras de Vitor fueron secadas al aire en el campus de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa (UNSA) y en la Escuela de Minas de Colorado en Golden, USA.

Si bien la aplicación potencial de geopolímeros como materiales de construcción (por ejemplo, fabri- cación de hormigón y estabilización de suelos, etc.) se ha estudiado en el pasado, su uso generalizado ha sido limitado. Esto se debe principalmente a que la tecnología es todavía relativamente nueva y la investigación en este campo aún está surgiendo. Recientemente, algunos investigadores han incorporado nanopartículas en distintos tipos de materiales geopolímeros para mejorar su resistencia y durabilidad ^[7-10],[30]. Entre los nanosistemas más utilizados en los últimos años se encuentran los mostrados en la Figura 2): sílice (SiO₂)^{[7],[11-15],[31],[32],[36]}, óxido de hierro (Fe₂O₃)^{[7],[16-18],[32]}, dióxido de titanio (TiO₂)^{[19-21][31],[32]}, alúmina (Al₂O₃) ^{[22],[23],[35]}, arcilla^{[7],[23],[29],[33]}, carbonato de calcio (Ca- CO₃)^[24-26],[34], nanotubos de carbono^[27],[28], y NPs compuestos de cobalto/carbono y hierro/carbono ^[37]. Estas nanopartículas se han utilizado eficazmente para reforzar las matrices de los materiales geopoliméricos, lo que resulta en una mayor actividad mecánica en términos de fuerza y resistencia frente a un entorno agresivo^[38].

Metodología experimental

Producción de las nanopartículas de hidróxido de calcio 

16 g. de nitrato de calcio tetrahidratado (Sigma- Aldrich) se disuelven en agua desionizada, la tempe- ratura se incrementa entre 60 a 90 °C y se agita por 30 a 45 minutos. Luego se le añade gota a gota una solución de 10 ml de surfactante Tritón X-100^[39-45] previamente preparada y agitada lentamente a tempera- tura máxima de 25 °C. Esta nueva mezcla se deja estabilizar en agitación continua por un periodo de entre 30 a 45 minutos, y se disminuye la tempe- ratura hasta alcanzar los 40 °C. Finalmente, se le añaden unas gotas de solución de NH₄OH hasta alcanzar un pH final de 8 a 9. La Figura 3 muestra las nanosoluciones de hidróxido de calcio a tres con- centraciones distintas, las cuales son una nueva al- ternativa frente a otros sistemas ya estudiados^{[46- 51]}.

Producción de muestras de geopolímeros

Las pastas de geopolímeros se prepararon mezclando los RM secados a 105 ºC por 24 horas con una solución activadora 10M de NaOH. Las soluciones de NaOH se prepararon mezclando agua con partículas de NaOH al 97% de pureza (Sigma Aldrich). A continuación, las soluciones se mezclaron con los RM durante 10 minutos hasta asegurar la uniformidad de la mezcla. Luego, las soluciones de NHC fueron atomizadas y combinadas vigorosamente con la mezcla previamente preparada hasta alcanzar una pasta homogéneamente integrada. Estas pastas de geopolímeros se colocaron en moldes cúbicos y se compactaron en tres capas diferentes utilizando el apisonador Harvard Miniature Compaction (HMC). Los cubos fueron desmoldeados y cubiertos con plástico para evitar la deshidratación de las muestras, luego se colocaron en el horno a 40 ºC durante 24 horas. Posteriormente, se aumentó la temperatura del horno a 70 ºC. Al cuarto día de curado se retiraron los envoltorios de plástico y las muestras se mantuvieron en el horno por tres días más hasta completar así un total de siete días de curado y obtener las muestras secas para ser estudiadas posteriormente. La Figura 4 muestra los cubos producidos y empacados para ser sometidos al tratamiento de curado.

Resultados

Caracterización de los relaves mineros

La Figura 5 muestra el difractógrama de Rayos X (DRX) obtenido a partir de un difractómetro de Ra- yos X para polvos (DRX, Axios Omnian, PANalytic, B.V. Eindhoven, Holanda), de 45kV, 20 mA, y una fuente Kα de Cu. El difractógrama indica que los RM de Vitor presentan como fases cristalográficas al cuarzo (Q), a la albita (A) y la moscovita (M), estas dos últimas son aluminosilicatos, y también fue identificada la sinerita (S) que es un mineral compuesto por azufre (S), cobre (Cu) y arsenio (Ar).

Las caracterizaciones geotécnicas se realizaron si- guiendo las normas ASTM D6913, D7928 y D4318. Las distribuciones del tamaño de grano de las materias primas se muestran en la Figura 6. La tabla incluida en la Figura 6 enumera los parámetros: (1) el tamaño medio de partícula D₅₀ = 0.086 mm con un pasante de malla #200 de 41.16% y (2) con un coeficiente de uniformidad Cu igual a 5.05. Los RM se clasificaron como arena limosa (SS) con baja plasticidad de acuerdo con los estándares de clasificación de USCS, con bajo límite de líquido (23.08%), baja plasticidad (PI=1.34%) y baja capacidad de retención de agua (A=0.033)^[52]. Otros análisis de caracterización de los RM, como son SEM/EDS, XRD y FTIR, se muestran junto con los resultados de pro- ducción de geopolímeros en las siguientes secciones.

Infrarrojo por transformada de Fourier de las nanosoluciones de hidróxido de calcio

El espectro FTIR en la Figura 7 se obtuvo usando un espectrómetro Thermo Electron Nicolet 4700 (FTIR) y analizando la nanosolución transparente de hidróxido de calcio a pH = 8.5 donde algunas especies de calcio todavía estaban en un estado hidrolizado dentro de la solución y confinadas dentro del sistema micelar del surfactante. Los datos que se presentan a continuación se refieren a las interacciones iónicas entre los iones Ca+ hidratado y NO₃^- en la solución.

El espectro FTIR muestra los picos característicos

del agua a 3,250 a 3,420 cm^-1 así como a 1,635 cm^-1 debido a los modos de estiramiento y flexión del hidróxilo (O-H)^{[53],[55],[56],[57]}. La presencia del grupo O-H es causada por el agua de las nanosoluciones acuosas hidrolizadas con calcio^[55]. Durante el proceso de síntesis de nanosoluciones hidrolizadas con calcio, se genera nitrato de amonio (NH₄NO₃) como subproducto que permanece disuelto en el medio acuoso.

Las señales entre 1,300 y 1,500 cm^-1 corresponden al modo de deformación asimétrica del NH+. También fue posible determinar dos vibraciones simultáneas asociadas al estiramiento asimétrico y posibles modos de deformación en el plano de las especies NO₃^-. Además, se identificó el modo de estiramiento totalmente simétrico del NO₃^- a 1045 cm^-1; y a 823 cm^-1 fue posible identificar el modo de deformación fuera del plano del NO₃^-[54],[56]. La señal de baja intensidad a 735 cm^-1 apoya la teoría de una interacción iónica, que según D.E. Irish y col.^[54], se debe a la perturbación entre un ion calcio y un ion nitrato que corrobora la presencia simultánea de ambas especies en las nano-soluciones a pH = 8.5. Por tanto, la nano-solución de calcio hidratado a pH 8.5 contiene como compuesto principal una mezcla de especies hidrolizadas de calcio con una población muy baja de nanopartículas cristalinas de Ca(OH)₂, que normalmente se obtienen en soluciones de pH alca- lino más alto^[39]. A valores de pH iguales o superiores a 12, el Ca(OH)₂ precipita debido a un aumen- to en el tamaño de partícula de la especie hidratada con calcio durante la etapa de hidrólisis, lo cual es un efecto no deseado en el presente trabajo de investigación. Por tanto, se esperaba un equilibrio de diversas especies de calcio en el agua de la solución, como son Ca⁺², Ca(OH)⁺ y Ca(OH)₂^[58]. Además, en las nanosoluciones de calcio concentradas, el ion nitrato solvatado comparte moléculas de agua con los iones calcio solvatados, lo que podría generar una interacción potencial entre las especies de nitrato de calcio-H₂O^[54].

Microscopia Electrónica de Transmisión de las nanosoluciones de hidróxido de calcio

Por otra parte, los resultados de alta resolución MET se muestran en la Figura 8 con sus correspondientes patrones SAED, y la imagen FFT obtenida para distinguir la estructura cristalina de las nanopartículas de calcio hidrolizado observadas dentro de las nano- soluciones a pH 8.5. Estos análisis se realizaron usando un microscopio FEI Titan 80-300 para confirmar las formas, tamaños y estructura cristalina de las nanopartículas de Ca(OH)₂ que corroboran los previos resultados de FTIR.

La Figura 8a muestra la distribución de las partículas esféricas con una disposición de tamaño de partícula variante. Los diámetros de las partículas fueron inferiores a 80 nm. Las morfologías esféricas indican el efecto del surfactante no iónico al alcanzar la concentración micelar crítica (CMC) que permite la formación de micelas esféricas, y proporcionar un sistema de dispersión homogénea de partículas den- tro de la solución acuosa, con un directo control en el crecimiento de cristales de Ca(OH)₂ encapsulando las especies de calcio hidrolizadas. Varios investigadores^{[41],[42],[58]} han informado en el pasado sobre la producción de nanopartículas bien dispersas basadas en un sistema de agrupamiento molecular auto-ensamblado (micelas) en soluciones acuosas. Además, H.H. Paradles^[43] menciona que, bajo parámetros experimentales controlados, el tensioactivo no iónico Triton X-100 produce micelas con un radio de 5.1 nm en soluciones acuosas. Sin embargo, se espera que el radio de las micelas pueda cambiar debido al efecto de diferentes condiciones, como pH, temperatura, concentración de especies químicas, velocidades de agitación, tipo de solvente, etc.

Por otro lado, se puede ver que las partículas esféricas micelares están rellenas de partículas de menor tamaño. Por lo tanto, la Figura 8b muestra un mayor aumento de la estructura interna micelar, lo que corrobora la presencia de nanopartículas con tamaños de partícula muy homogéneos menores a 10 nm, indicando que la estructura interna de las micelas es policristalinas y corroborado por la presencia de múltiples anillos en el patrón SAED mostrado en la parte superior izquierda de la Figura 8b. De igual forma, se muestra que las partículas presentan extremos fragmentados o incompletos debido a que las nanosoluciones no alcanzaron el alto pH ≈ 12 en el que se espera que todas las partículas de Ca(OH)₂ completen su hidrólisis que permite su crecimiento y precipitación. Sin embargo, es posible apreciar algunos cristales hexagonales de Ca(OH)₂ individuales y completamente formados los cuales han sido resaltados en amarillo en la Figura 8b. A. Michalopoulou y col.^[45] reseña que el uso de Triton X-100 no iónico durante la producción de nano-Cal [Ca(OH)₂] dispersada en agua dio como resultado nanopartículas de Ca(OH)₂ en forma de placas hexagonales, mostrando así el efecto directo del surfactante sobre la morfología de estas partículas. El tamaño reducido de las nanopartículas se atribuyó a la interacción reportada entre el Ca²⁺ y el grupo funcional -CH₂- CH₂-O- de Triton X-100, el cual inhibe el crecimien- to de las partículas primarias y la presencia de fenó- menos de agregación.

Para verificar la estructura cristalina dentro de las partículas hexagonales, se realizó un análisis FFT en la micrografía de MET-AR. La Figura 8b muestra claramente una partícula hexagonal (parte derecha) con un alto ordenamiento interplanar (recuadro rojo donde se llevó a cabo el análisis de FFT), cuya imagen FFT (inferior derecha) muestra puntos muy bien definidos. Al medir las distancias interplanar (d_hkl), se identificaron los planos (011) y (101) de la Portlandita [Ca(OH)₂]. Basado en el patrón de XRD, el plano (011) tiene una correspondencia con la se- ñal XRD más intensa en 2θ = 34.11°, y el (101) per- tenece a la misma familia de planos como se muestra en la Tabla 1. Estos resultados corroboraron la presencia de nanopartículas cristalinas de Portlandita [Ca(OH)₂] en las nanosoluciones.

Resistencia a la compresión de los geopolímeros sintetizados

Las pruebas de compresión uniaxial de los geopolímeros se realizaron empleando un equipo MTS Landmark 370.10, a una velocidad de desplazamiento constante de 0.21 mm/min. Los valores promedio de resistencia a la compresión para todos los sistemas curados a 7 días se muestran en la Figura 9. La resistencia a la compresión de los cubos de los geo- polímeros originales (original G.P.) alcanzó un valor promedio de 9.38 MPa. La resistencia a la compresión para los sistemas de geopolímeros con nanosoluciones hidrolizadas con calcio a tres concentraciones diferentes de 1, 2 y 3% en peso de RM aumentó para todas las muestras de la siguiente manera: las muestras con 1% en peso alcanzaron una resistencia a la compresión promedio de 13.48 MPa, que representa un aumento del 44%; para probetas con 2% en peso, la resistencia a la compresión fue de 13.81 MPa, lo que corresponde a un aumento del 47%, y las muestras con 3% en peso alcanzaron una resistencia a la compresión de 15.16 MPa, lo que re- presentó un aumento del 62%.

La adición de nanosoluciones de hidróxido de calcio al geopolímero original, genera reacciones químicas adicionales debido a las propiedades puzolánicas de las nanosoluciones de hidróxido de calcio, que reaccionan simultáneamente con las especies hidrolizadas de silicio y aluminio generadas durante el proceso de geopolimerización para producir geles adicionales como el C-S-H, C-A-H, C-A-S-H entre otros, lo cual afecta de manera positiva a la resisten- cia a la compresión de las muestras finales.

Es bien sabido que el gel C-S-H es capaz de llenar los huecos y mejorar la zona de transición interfacial junto con la matriz de unión^[38],[59]. Además, el gel C-S-H también se genera durante el proceso de hidratación del cemento Portland, y es el principal producto responsable del desarrollo de la alta resis- tencia de este sistema de cementación. Además, ge- neralmente se cree que el gel C-S-H es el componen- te que fortalece al material resultante^[47]. Por lo tanto, la presencia de especies de calcio adicionales durante la etapa de geopolimerización de los RM es ventajosa debido a su papel en la formación de productos de hidratación como son los geles C-S-H, C- A-H y el C-A-S-H, que también son conocidos por la resistencia mecánica que imparten a los materiales cementicios ^[44],[59]. Es así como la presencia de alúmina en el sistema permite la generación de geles C-A-H y C-A-S-H, al interactuar con los iones Ca, y es importante mencionar que ambos geles se encuen tran entre los productos de hidratación de los nuevos geopolímeros aditivados con nanopartículas de hidróxido de calcio. Se cree que los geles C-A-H tienen una estructura que consta de láminas de Ca₂Al(OH) + con Al(OH) - u OH- en la región de la capa intermedia, que equilibran la carga neta positiva de la capa. La sustitución de aniones (como SO²; OH-; CO₃^2-; Cl-) puede estabilizar parcialmente las fases C-A-H^[60].

Es importante mencionar que reacciones químicas adicionales debido a la hidrólisis de otros elementos, como el magnesio, pueden tener lugar durante el proceso de geopolimerización porque este elemento reacciona fácil y drásticamente con el agua para formar Mg(OH)₂, que en presencia del recurso de calcio puede generar el gel C-M-A-S, que puede for- talecer la microestructura^[59]. Q.Y. Chen y Col.^[60] declaró que el gel de C-S-H puede contener Al, Fe y Mg debido a los procesos de sorción o coprecipitación generados durante el proceso de hidratación de materiales cementosos, donde los componentes menores pueden modificar el crecimiento de cristales por sustitución en la red del gel C-S-H. Según A. Silva de Vargas y col.^[50] la matriz formada por activación alcalina de aluminosilicatos usando la solución alcalina está formada por geles M-A-S-H, donde M es el elemento del primer grupo de la tabla periódica (donde Na⁺ y K⁺ son los más comúnmente usados).

Difracción de Rayos X (DRX) de los geopolímeros sintetizados

Por otra parte, la técnica de difracción de Rayos X fue utilizada para identificar la composición mineralógica de los geopolímeros tanto original como aditivados con las nanosoluciones de Ca(OH)₂, utilizando un equipo X’Pert PRO MPD. Basado en los patrones de DRX (Figura 10) fue posible determinar que la muestra original de RM geopolimerizada contenía principalmente cuarzo (SiO₂)^{[5],[44],[53]}, calcita (CaCO₃)^[61],[62], wüstita (FeO)^[63], magnetita^[44],[63], zeolita^{[44],[64],[65]} y moscovita (KAl₂(FOH)₂ o (KF)₂(Al₂O₃)₃(-SiO₂)₆)^[53], como fases primarias.

Los patrones de DRX de los sistemas de geopolímeros aditivados con nanosoluciones de hidróxido de calcio muestran la presencia de fases adicionales como Portlandita [Ca(OH)₂]^{[44],[61],[62],[66],[67]}, C-A-S-H gel^[66], C-S-H gel^{[61],[66],[68]} y fases AFm como Ca₂[Al(OH)₆]OH·xH₂O (x = 0,2,3,6) que contienen aluminio en la coordinación octaédrica como característica común^[66]. Además, algunas de estas fases son productos de las reacciones químicas entre las nanopartículas de hidróxido de calcio con el RM durante la etapa de activación alcalina de estas pastas. Por lo tanto, se espera que se puedan generar cantidades adicionales del gel C-S-H debido a la combinación de iones de Ca²⁺ solubles de las nanosoluciones de hidróxido de calcio y los iones de SiO⁴⁻ liberados por el cuarzo durante la disolución en presencia de la solución del activador alcalino^[68]. Los pequeños picos C-S-H se asemejan al patrón de difracción de un gel C-S-H mal ordenado, que corresponde con un estado amorfo. Adicionalmente, la no presencia de picos bien definidos para el gel C-S-H podría atribuirse a la falta de suficiente silicio debido a la baja solubilidad del cuarzo, lo que genera una lenta liberación de la especie de silicio a pesar de que ese es el principal mineral del RM^[44].

Infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) de los geopolímeros sintetizados

Los espectros de FTIR de las muestras geopolimerizadas tanto del sistema original como de los sistemas aditividados con las nanosoluciones de hidróxido de calcio a pH 8.5 se muestran en la Figura 11.

La banda observada a 1420 cm^-1 se atribuyó a las vibraciones de estiramiento del enlace C-O de los carbonatos, probablemente los carbonatos de sodio. A pesar de que se tuvo especial cuidado para evitar la carbonatación durante los experimentos, se produjo una pequeña cantidad de carbonatos debido a la reacción de la solución activadora de NaOH con el CO₂ atmosférico^[66],[69]. El carbonato dentro de las muestras también presenta una pequeña protuberancia a 875 cm^-1, que es una flexión fuera del plano del grupo carbonato. Además, la señal entre 693 a 700 cm^-1 corresponde a la fase de carbonato de calcio^[70] y potencialmente a la formación de carbonato de sodio^[71].

La pequeña banda de aproximadamente 1,380 cm^-1 se asignó a los nitratos que provienen del método de preparación de las nanosoluciones de hidróxido de calcio^[66]. Se produjo una banda de intensidad moderada a 835 cm^-1, posiblemente correspondiente a las vibraciones de estiramiento simétrico del enlace Si-O ^[72]. Sin embargo, esta vibración puede haberse superpuesto a la señal a 830 cm^-1 asignada al modo de flexión de NO₃^-[73][74].

Por otro lado, existe una clara superposición de señales en el rango de 1,200 a 800 cm^-1. Todos los espectros presentaron una enorme banda de absorción en esta región, que es típica de las estructuras de aluminosilicato y se atribuyeron a la vibración de estiramiento asimétrico de los enlaces Si-O-Si y Si-O- Al en [SiO] - y [AlO] - ^[66]. Además, otra señal superpuesta en esta región puede atribuirse a la banda de adsorción S-O de SO^-2, pertinente a la forma- ción de la banda de minerales a base de sulfato que ocurre alrededor de 1,020 cm-1^[69].

La vibración a 798 cm^-1 es una señal característica del cuarzo, que es el principal compuesto mineral del RM utilizado, y su presencia también fue corroborada por los patrones DRX^[71]. Sin embargo, el grupo de señales a 796 cm^-1, 777 cm^-1 y 694 cm^-1 indican la existencia de enlaces Si-O-X, que provienen de los productos geopolimerizados generados (donde X significa silicatos o aluminatos tetraédricos). Las magnitudes de las bandas de absorción están relacionadas con las cantidades producidas de silicatos o aluminatos y sus respectivos grados de geopolimeri- zación^[53]. A medida que aumenta la concentración de las especies de calcio, se observa un aumento en la señal de superposición a 740 cm^-1; aparentemente, esta banda es generada por las interacciones de los iones calcio con los iones nitrato^[75].

De acuerdo con E. Kapeluszna y col.^[66], los picos observados en la zona de 800 a 600 cm^-1 (645 y 615 cm^-1) son distinguibles en la estructura característica del gel C-A-S-H frente a los enlaces Si-O-Si, Al. Además, las vibraciones entre 600 a 400 cm^-1 (575 cm^-1) sugieren la aparición de tetraedros en las redes de silicatos y aluminosilicatos en el gel C-S-H y en los hidratos de gel C-A-S-H^{[66],[72],[75]}.

Microscopia Electrónica de Barrido y Espectroscopia de Energía Dispersiva de Rayos X de los geopolímeros sintetizados

La Figura 12 muestra las micrografías MEB tomadas con un equipo FEI QUANTA 600i equipado con un detector EDAX Element SDD EDS, donde se observan las superficies de fracturas de las muestras geopoliméricas tanto del sistema original, como de las muestras aditivadas con nanosoluciones de hidróxido con calcio. Es posible observar que las partículas son de forma irregular, lo que favorece al sistema la disolución de las fases mineralógicas durante la activación por álcalis, y que permite la liberación de Si y Al del RM durante la etapa de activación alcalina, lo cual promueve la producción de geles responsables de la polimerización inorgánica de los sistemas. Además, todas las imágenes MEB muestran una estructura consolidada de crecimiento de material sobre y entre las partículas de mayor tamaño. De igual forma, es posible observar una mayor densificación de las muestras a medida que aumenta el contenido de calcio en los sistemas. El mapeo por EDS muestra la composición química de los sistemas geopoliméricos con fuertes señales de los elementos primarios Si, Al, O, Na y Ca. Es posible observar que el Si, Al y O dominan toda el área mapeada, lo que indica la abundancia de estos elementos, siendo consistente con los resultados de FTIR y DRX y es de esperarse cuando se usan RM del tipo aluminosilica tos como materia prima para la generación de sistemas geopolímeros. De igual forma, el mapeo comparativo de EDS muestra la distribución específica de elemento calcio (Figura 12) para todos los sistemas en estudio donde es posible observar la no-aglomeraciones de las nanopartículas de calcio, lo cual indica una buena dispersión de las mismas dentro de la matriz final. Como se había mencionado anteriormente, el aumento de las señales de Ca fue directamente proporcional al contenido de nanopartículas de calcio en los sistemas. Ca, Si y Al existieron en la misma área, lo que demuestra la generación de gel C-S-H, gel C-A-S-H y productos AFm. Mientras tanto, también se observaron Fe, K y Mg en las mismas regiones, ya que son parte del RM original.

El sodio también se detectó como una señal fuerte en todas las muestras de los geopolímeros debido a su incorporación a los sistemas cuando se utiliza NaOH como activador/solución alcalina. Es importante mencionar, la posibilidad de que el Na pueda estar sustituyendo cierta cantidad de calcio en la estructura de los geles C-S-H, C-A-H y C-S-A-H generando fases hidratadas adicionales como N-A-S-H y/o ge- les (N,C)-A-S-H^{[47],[49],[50],[51]}.

La Tabla 2 indica un claro aumento del contenido del elemento Ca en las muestras de geopolímeros que fue directamente proporcional a los aumentos de concentración de las nanosoluciones de hidróxido de calcio. Otros elementos como Mg, K, y Fe fueron de igual forma identificados y semicuantificados.

En función a los resultados obtenidos a partir de las imágenes de MEB y los análisis de EDS (Figura 12, y Tabla 2), se puede observar que las nanopartículas de hidróxido de calcio actuaron como modificadores químicos de los geles primarios de los sistemas geopolímeros y también mejoraron el proceso de hidra tación, lo que mejoró la microestructura cuando las nanopartículas se dispersaron uniformemente dentro de los sistemas generados, lo que conduce a la re- ducción de la porosidad en las muestras a medida que aumentaba el contenido de calcio en las mismas. Además, es un hecho que las nanopartículas de hidróxido de calcio confinadas en el sistema micelar del surfactante previenen la aglomeración de las partículas más pequeñas mediante la dispersión de estructuras esféricas capaces de transportar y liberar a las nanopartículas en las pastas de los RM, permitiendo su interacción con los productos de hidratación primarios durante la geopolimerización, y por tanto su alteración química para la formación de nuevos y adicionales geles cementantes.

Más precisamente, las nanopartículas de hidróxido de calcio con tamaños en el rango de 10 nm se dispersaron de manera homogénea en las pastas de los RM y reaccionaron químicamente con los geles primarios geopoliméricos de los RM para la producción de geles adicionales tales como C-S-H, C-A-H, y C- A-S-H; estos geles llenan los poros proporcionando una microestructura compactada más densa y mejorando la resistencia de los sistemas finales.

Estos resultados son corroborados y respaldados por lo obtenido en las pruebas de resistencia a la compresión (Figura 9), por lo que el aumento de la concentración de hidróxido de calcio en las nano-soluciones produjo sistemas con mayor resistencia a la compresión en comparación con el sistema de geopolímeros original.

Conclusiones

1. El uso del surfactante (Triton X-100) durante el proceso de síntesis de las nanosoluciones de hidróxido de calcio permitió la generación de sistemas esféricos moleculares (micelas) dispersos en soluciones acuosas con diámetros menores a 80 nm que son capaces de encapsular, transportar y liberar posteriormente a las nanopartículas de hidróxido de calcio dentro de las pastas de RM. La adición de Triton X- 100 igualmente condujo a la reducción del tamaño de las nanopartículas de hidróxido de calcio, y a la formación de algunas nanopartículas con morfología hexagonal, de distribución homogénea y con tamaños de partículas inferiores a los 10 nm. Estos nuevos sistemas de nanosoluciones con partículas esfé- ricas bien dispersas, basados en la encapsulación de nanopartículas de hidróxido de calcio dentro de las micelas del surfactante, permitieron la liberación de las nanopartículas de Ca(OH)₂ más pequeñas dentro de la pasta de los geopolímeros por medio de una homogénea distribución de las mismas, cuando las nanosoluciones se rociaron y mezclaron sistemáticamente durante la producción de las pastas de los RM.

2. Se encontró que las nanopartículas de hidróxido de calcio participaron en la formación adicional de gel de C-S-H amorfo, así como en la formación de otros geopolímeros adicionales a base de calcio, como los geles de C-A-H y C-S-A-H, que se generan debido a las reacciones puzolánicas de las nanopartículas de Ca(OH)₂ con los RM durante la hidratación de los sistemas en la etapa de activación alcalina. Los resultados obtenidos sugieren la coexisten de estos geles cementantes que son responsables de los aumentos de los valores de resistencia en las matrices, que contienen cantidades moderada de nanopartículas de hidróxido de calcio. Por lo tanto, la formación adicional de geles C-S-H, C-A-H y C-S-A-H dentro de la matriz geopolimérico puede actuar como un nano-agregado permitiendo que el aglutinante resultante sea homogéneo y denso, lo que da como resultado una mejora de la resistencia mecánica final de los materiales producidos. Es así como la resistencia a la compresión final de los sistemas experimentales aditivados con las nanosoluciones de hidróxido de calcio aumentó entre un 44 y un 62% en comparación con los sistemas geopolímeros originales.

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