Caracterización química y mecánica de un suelo estabilizado con un cementante híbrido activado alcalinamente, basado en desecho de fibra de lana mineral y cemento de uso ordinario OPC

Abstract

RESUMEN : En la actualidad, en el mundo se está replanteando el uso de los aglomerantes tradicionales como el cemento Portland ordinario (OPC, por su sigla en inglés) y la cal, tanto en la generación de concretos, como en la estabilización química de suelos; no sólo por su impacto en el medio ambiente, especialmente por el aporte de CO2 a la atmósfera, sino también por su alto costo económico. Los geopolímeros, también conocidos como cementos activados alcalinamente (CAA), han cobrado un creciente interés en la comunidad científica, debido a sus propiedades mecánicas y químicas, las cuales son iguales o superiores a las exhibidas por el concreto a partir de OPC, y a su menor aporte a la huella de carbono. Sin embargo, son pocos los trabajos en la actualidad que muestran el mejoramiento de suelos estabilizados químicamente, mediante cementos activados alcalinamente. El propósito de esta investigación fue conocer el uso potencial del residuo de fibra de lana mineral como precursor de un geopolímero, en combinación con el OPC, como estabilizante químico de un suelo compactado mecánicamente. Para tal fin, se evaluó en una primera etapa, la resistencia a compresión inconfinada (UCS, por sus siglas en inglés) de mezclas de cemento activado alcalinamente a partir de fibra lana mineral (CAA) y cemento híbrido activado alcalinamente (CHAA) a partir de fibra y OPC, mediante un diseño factorial trascurridos 33 días de curado. Se determinó mediante este diseño, el efecto de la variación en el activador alcalino, de la relación Na:Al en los niveles 1.3-1.8-2.2, manteniendo constante la relación Si:Al igual a 1.9; y el efecto de la adición de porcentaje OPC en los niveles 0, 15 y 30%, respectivamente. Posteriormente, en una segunda etapa, se evaluó la resistencia UCS de combinaciones de suelo estabilizado alcalinamente con fibra de lana mineral (CAA), como estabilizadas alcalinamente con fibra de lana mineral y OPC (CHAA), mediante un diseño de experimentos de mezclas transcurridos 28 días de curado. Se compararon los resultados tanto con suelo sin estabilizar, como con suelo-cemento a 10.5 y 15.0% en proporción con el suelo. Adicionalmente, se determinó el índice de soporte de california (CBR), a la mejor combinación de suelo estabilizado alcalinamente que presentó mayor resistencia UCS. Tanto a las probetas de cemento activado alcalinamente (CAA-CHAA), como a las probetas de suelo estabilizado con CAA y CHAA, se les realizó una caracterización química mediante Difracción de Rayos X (XRD), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Espectroscopia de Energía Dispersiva de rayos X (EDS), con el fin de identificar la formación de productos de reacción, asociados a la formación de geopolímero. La máxima resistencia alcanzada de las probetas de CAA y CHAA fueron de 6.7 y 12.3 MPa, respectivamente; ambos con el uso del activador con la relación Na:Al=1.8 en los niveles de 0 y 15% OPC, respectivamente. Respecto a las probetas de suelo estabilizado alcalinamente, la mayoría de las combinaciones mejoraron la resistencia y disminuyeron la deformabilidad del suelo. La máxima resistencia UCS alcanzada por las combinaciones de suelo con CAA, correspondió al máximo porcentaje de fibra de lana mineral que fue de 15% (0.9 MPa), mientras que la combinación de suelo con CHAA correspondió al porcentaje de fibra de 10.5% y de OPC de 4.5% (1.7MPa), obteniéndose incrementos de resistencia de alrededor de 5 y 9 veces respectivamente, en comparación con el suelo sin tratamiento. En cuanto a la caracterización química se identificó mediante XRD la formación de los geles N-A-S-H y C-A-S-H en las probetas tanto de CAA como CHAA, mientras que en las probetas de suelo con CAA y CHAA se identificó la Zeolita tipo A. Mediante SEM se observó una morfología asociada a la formación de los geles N-A-S-H y C-A-S-H tanto en las probetas de CAA y CHAA como en las probetas de suelo con CAA y CHAA; a la vez que se pudo observar mediante mapeo EDS un incremento en el porcentaje atómico de Si y Al en las probetas de suelo con CHAA, lo que indicaría la formación de enlaces Si-O-Si y Si-O-Al. Finalmente, se propone un material de construcción sostenible, que aprovecha un residuo de la construcción y demolición (RCD) como lo es la fibra de lana mineral, así como el uso de suelos locales de la región, evitando el traslado de materiales fino-granulares de otras regiones, a la vez que requiere de un consumo mínimo de OPC, contribuyendo a la disminución de la huella de carbono a la atmósfera.