Uso de polvos de vidrio en entornos industriales: una breve descripción general

El polvo de vidrio es un material con una gran cantidad de usos y está disponible en casi cualquier tamaño de molienda imaginable de African Pegmatite, el socio industrial de referencia para una amplia gama de minerales. refractarios y áridos.

Introducción al vidrio y a los polvos de vidrio

Sencillamente, un polvo de vidrio (vidrio molido) es un polvo de un vaso. Pero sus propiedades no provienen principalmente del tamaño de molienda, sino de la identidad del vidrio en sí. Un vidrio es un material sólido, no cristalino, típicamente transparente, amorfo (lo que significa que carece de orden de largo alcance en la fase sólida). El tipo más común de vidrio es el vidrio de soda y cal, que comprende principalmente de dióxido de silicio, SiO2,junto con óxidos de sodio, óxido de calcio y alúmina. Otros componentes menores se añaden a las propiedades de ajuste fino para hacer que la soda-cal sea adecuada para su uso como vidrio de placa o como vidrio contenedor.

Una fuente a gran escala de vidrio molido proviene de los flujos municipales de residuos/reciclaje. El vidrio, típicamente las botellas, se recogen y se muelen finamente para su uso/procesamiento posterior. La mayoría del vidrio en polvo se obtiene de vidrio usado y luego se moldea hacia abajo. Esto lo convierte en un recurso más rentable. Sin embargo, hay productos de vidrio molido que proceden de nuevos envases de vidrio o rechazan los envases de vidrio para aplicaciones especializadas. Se estima que más de 200 millones de toneladas de residuos de vidrio se envían anualmente al vertedero (1).

hormigón con mezcla de polvo de vidrio que se vierte
losas de hormigón prefundidas hechas con mezcla de polvo de vidrio

Polvos de vidrio y hormigón

El hormigón es un material de construcción omnipresente, esencial en la construcción de carreteras, puentes y edificios. Se compone de agregado que se mezcla con un cemento, típicamente cemento Portland, y agua. El cemento y el agua reaccionan juntos formando una matriz dura que se une a sí misma y el agregado, produciendo una sustancia similar a la piedra.

Los aditivos se pueden incluir en la suspensión de hormigón para cambiar las propiedades de la losa de hormigón final. Los plastificantes se pueden añadir, por ejemplo, que ralentizan el curado del hormigón reduciendo la relación agua-cemento requerida, pero mantienen su capacidad de vertido. La resistencia del hormigón acabado es mayor con un menor contenido de agua.

Otra clase de compuestos comúnmente utilizados como aditivos de hormigón son pozzolans - un grupo de silíceos y / o aluminosos que pueden reaccionar en el agua con hidróxido de calcio (presente en el cemento) para producir un material con propiedades similares al hormigón. La inclusión de pozzolans en la mezcla de hormigón tiene numerosos beneficios; pozzolans pueden ser más baratos que el cemento Portland y por lo tanto reducir la carga financiera general en la fabricación, pueden aumentar la durabilidad y la longevidad del hormigón terminado, y su inclusión a expensas de parte del cemento Portland reduce el carga ambiental asociada con la producción de cemento Portland en primera instancia. Cabe señalar, sin embargo, que los pozzolans no pueden reemplazar todo el cemento Portland en una mezcla de hormigón debido a la necesidad de hidróxido de calcio. Además, algunos pozzolans pueden ofrecer el hormigón terminado otras propiedades tales como resistencia general, y mayor resistencia a los compuestos dañinos. El vidrio de soda molida y cal, como silicato, se puede utilizar como pozzolan.

hormigón que se vierte de la máquina

¿Por qué vidrio esmerilado?

La investigación sobre la incorporación del vidrio molido data de décadas atrás, aunque la mayoría de los ejemplos relevantes son bastante recientes, impulsados por el creciente deseo de disminuir los costos y aumentar la estabilidad ambiental(2). Estudios contemporáneos han demostrado que la inclusión de vidrio residual con un tamaño de molienda de menos de 10 micras se puede añadir al hormigón sin causar ningún perjuicio a la resistencia o durabilidad(3). Un estudio de 2006 examinó el rendimiento de las mezclas de tamaños de molienda (polvo/10 micras, molienda fina/0,15-0,3 mm y molienda gruesa/0,6-2,36 mm) en una mezcla de cemento de 40 MPa. Los autores informaron de un buen rendimiento con todas las mezclas alcanzando o superando el umbral de resistencia de 40 MPa dentro de 404 días(4). Señalan que la resistencia y durabilidad del hormigón resultante aumentaron en algunos casos a 55 MPa a pesar de la reducción general en el contenido de cemento en 30 - atribuyendo esto a una poderosa reacción pozzolánica entre el vidrio molido y el cemento.

ladrillos de hormigón
losas de hormigón que podrían hacerse con aditivo de polvo de vidrio

Utilizando vidrio de cal de soda molido para reemplazar parte del cemento y el agregado en una mezcla, no se observan propiedades perjudiciales en la producción de hormigón autonivelante(5), aunque el autor notó que se requería un cambio moderado en la relación agua-polvo en la aplicación de autonivelación, con una incorporación global de hasta 104 kg/m3 de vidrio molido.

Otros estudios han puesto de relieve el 30 "punto dulce" de la inclusión del vidrio molido en las mezclas de hormigón. En comparación con el hormigón hecho con cenizas volantes, el hormigón que contiene vidrio molido tenía propiedades de resistencia a largo plazo comparables; en comparación con el hormigón hecho con pozzolans naturales, era más fuerte. Además, no se observó degradación después de siete años sumergido en agua, y se mejoró la resistencia al ataque de cloruro y sulfato en relación con las cenizas volantes y los pozzolans naturales(6).

Cabe destacar el concepto de utilizar puzolanas mezcladas en la fabricación de hormigón, es decir, donde el vidrio puede utilizarse como puzolana junto con otros materiales contemporáneos, lo que puede dar lugar a propiedades mejoradas a largo plazo. La investigación ha encontrado que el uso de puzolana mezclada puede producir un concreto que después de 28 días es mucho más resistente al ataque de sulfato y a la penetración de iones cloruro (7).

Otra razón por la que se utiliza vidrio molido en el cemento es que es un material vítreo. Tales materiales son conocidos por su ausencia de defectos estructurales y son estos los que conducen a una interacción de calidad superior entre el cemento y el ligante(8). Sin estructuras cristalinas tan bien definidas y puras, el vidrio esmerilado sin duda no sería un competidor en este campo.

Consideraciones sobre el uso del vidrio esmerilado en el hormigón

En general, los beneficios de utilizar el vidrio molido como aditivo en hormigón superan con creces los inconvenientes. Se ha informado que la actividad pozzolánica general del vidrio molido está relacionada con el grado de hidratación del polvo de vidrio, por lo tanto depende de su superficie. En general, es preferible un tamaño de molienda más fino para lograr un reemplazo óptimo del cemento(9). La principal limitación para el uso de vidrio esmerilado en la fabricación de hormigón es la reacción álcali-sílice, que es cuando los iones hidroxilo del cemento pueden reaccionar con la sílice del vidrio en presencia de agua(10). El efecto neto de esta reacción es la producción de un gel in situ que absorbe agua y luego se hincha, causando grietas en el hormigón. El gel se forma debido a una interfaz débil que permite la reacción(11). La mitigación se realiza mediante el uso de tamaños de molienda adecuados de vidrio(12), el sellado del hormigón a medida que se cura para eliminar el agua atmosférica y el uso de pequeñas cantidades de otras puzolanas o cenizas volantes naturales (13). Por lo tanto, como regla general, el vidrio esmerilado no debe ser utilizado rutinariamente como agregado(14). Se observa que la reacción álcali-sílice también se puede observar en el hormigón convencional(15). Vidrio esmerilado enlatar Sin embargo, incluso con un tamaño de molienda de 850 μm, la trabajabilidad del hormigón no es tan buena, pero puede remediarse mediante la adición de más pasta, aunque esto puede conducir en general a una modulación no deseada de las propiedades de densidad y resistencia(16).

En el caso del cemento de alúmina, los efectos de la adición de vidrio esmerilado no son tan claros como los del cemento convencional. La investigación ha demostrado que la inclusión de vidrio esmerilado en el cemento de alúmina puede conducir a un aumento de la densidad al tiempo que aumenta la resistencia de la pasta y el mortero, pero estos beneficios se pierden a altas temperaturas, y en general la adición de vidrio depende en gran medida de la alúmina en sí (17). Como el cemento con alto contenido de aluminismo está más orientado a aplicaciones especializadas y, por lo tanto, se usa menos que el cemento convencional, la necesidad de vidrio esmerilado por razones económicas y ambientales es menos pronunciada.

hormigón que se vierte

Polvos de vidrio en cemento refractario

El cemento refractario es un cemento diseñado para funcionar a temperaturas más altas que el cemento normal. Para lograr esto, parte o la totalidad del cemento Portland se reemplaza por varios aluminatos de calcio (18), siendo un aditivo popular el calcín de vidrio molido. Además de los efectos puzolánicos antes mencionados, la adición de vidrio esmerilado al cemento refractario reduce la expansión álcali-sílice(19). La investigación muestra que cuando el vidrio esmerilado se ha pulverizado a menos de 75 μm de diámetro, no se produce el fenómeno de expansión álcali-sílice y, al mismo tiempo, se mejora la durabilidad del hormigón refractario final. Además, el uso de más vidrio reciclado en la producción conduce a menores costos ambientales(20). La investigación también ha demostrado que el aumento del contenido de vidrio se asocia con aumentos tanto en la densidad aparente como en las propiedades de resistencia a la compresión, mientras que la contracción durante la cocción disminuyó (21) cuando se utilizó cemento refractario para formar ladrillos refractarios.

Mezclas de carburo y cal

El hormigón y el asfalto son dos materiales que a menudo se consideran uno al lado del otro, especialmente cuando se trata de carreteras, caminos y carriles bici. No es de extrañar que se estén desarrollando análogos del hormigón que utilizan asfalto reciclado recuperado de antiguas instalaciones viales. Este asfalto viejo se muele y se mezcla con cal de carburo (un subproducto de la producción de acetileno) como agente cementante. Al igual que con el hormigón, se requiere una puzolana que se presenta en forma de vidrio esmerilado(22). El uso conjunto de estos tres materiales reciclados/subproductos puede producir un material suficientemente duro y duradero similar al hormigón, todo ello de forma respetuosa con el medio ambiente. En pruebas similares con diferentes materiales agregados, pero con la misma configuración de cal de carburo y vidrio esmerilado, se encontró que la durabilidad general era una función de la cantidad de vidrio esmerilado agregado(23). Las cantidades más altas de vidrio esmerilado presentes (hasta un 30% en peso) conducen a índices de porosidad/contenido de aglutinante más bajos y, por lo tanto, a valores más altos de resistencia a la compresión en múltiples tipos y distribuciones de molienda.

Otros aspectos concretos

A pesar de modular la densidad general del hormigón cuando se emplea como aglutinante y/o puzolana, el vidrio esmerilado puede ser muy eficaz en la producción de hormigón celular, un material popular en el que no se dispone o no se requiere una carga de peso significativa. El vidrio esmerilado en una superficie de entre 500 y 550 m2 kg-1 es ideal, y el tamaño total de partícula no debe ser increíblemente bajo, ya que al hacerlo aumenta la densidad y puede provocar pérdidas de resistencia en este tipo de hormigón debido a la debilidad de los tabiques entre poros (24).

Además de mejorar el rendimiento ambiental, el vidrio esmerilado puede reemplazar la mayoría de la arena de sílice utilizada cuando el cemento en sí se reemplaza en gran cantidad con escoria de horno de arco eléctrico(25). El material final se comparó favorablemente con el hormigón convencional.

Esmaltes y Cerámicas

Debido a su buen rendimiento a temperaturas moderadas a altas, los polvos de vidrio se utilizan en la fabricación de cerámicas y esmaltes:

Esmaltes

Los esmaltes cerámicos son un uso común de compuestos de tipo sílice. Un esmalte consiste en un plástico, un no plástico y aditivos. De los no plásticos, se trata en su mayoría de óxidos, junto con pigmentos, feldespato y fritas, que también son de naturaleza de tipo sílice(26). Un estudio reciente ha demostrado el uso de
vidrio en polvo reciclado
(en este caso de televisores de tubo de rayos catódicos) como componente de óxido en esmaltes cerámicos(27). Los esmaltes cerámicos producidos funcionaban igualmente así como sus homólogos comerciales, con una resistencia química particularmente buena; además de proporcionar un uso bienvenido para el vidrio residual.

cerámica colorida acristalada
macetas de terracota acristalada

Cerámica

La producción a gran escala de
cerámica
es un campo que busca constantemente formas de utilizar menos minerales más caros, como el caolín, y junto con el caolín y la arcilla, se puede agregar vidrio molido a una mezcla de cerámica, lo que hace que la cerámica sea más tolerante a los cambios rápidos de temperatura o a los choques(28), al tiempo que tiene una resistencia química superior(29). La cerámica de wollastonita sintética se puede formar cuando se combinan caolín, arcilla y vidrio molido, y esto se puede usar en una aplicación de aislamiento de lana de roca(30).

El gres es conocido por su capacidad para tolerar niveles elevados de vidrio esmerilado, con una dureza y resistencia a la flexión comparables a las del gres porcelánico, mientras se sinteriza a 1.000 °C. Al igual que el efecto puzolánico en los cementos, los investigadores han propuesto que los aumentos de resistencia se deben a una red mejor desarrollada de interacciones entre el vidrio y la arcilla a través de varias fases cristalinas(31). Las fritas se pueden producir utilizando vidrio molido reciclado y, cuando se combinan con lodos cerámicos, se pueden formar engobes que luego se pueden utilizar en productos de baldosas altamente estables térmicamente(32). Los engobes son capas de materiales a base de arcilla que se depositan sobre la superficie de una cerámica para mejorar las propiedades mecánicas.

Una ventaja clave y distintiva del uso de vidrio esmerilado en la producción de cerámica es que se comporta como un fundente en el proceso de fabricación, reduciendo la temperatura de fusión y, por lo tanto, el requisito de energía necesario, lo que representa un ahorro de costos y tiempo.

Materiales refractarios

Un material refractario es un compuesto que es resistente al calor, pero también tiene fuertes propiedades termoquímicas y mecánicas, y altos niveles de resistencia a la corrosión. Por esta razón, los materiales refractarios se utilizan para revestir los reactores en los procesos industriales, y especialmente en la producción de hierro y acero, ya que este sector por sí solo utiliza el 70% del suministro mundial de refractarios(33). Los refractarios suelen ser materiales de óxido y se clasifican en función de su composición; ácido, básico, óxido-carbono o 'especializado'. En el caso del vidrio esmerilado, actúa como fuente de material refractario ácido, debido a que su componente principal es la sílice. Un material refractario normalmente se formará en forma de bloque, varios de los cuales se pueden vincular entre sí usando un aglutinante. La sílice es, debido a su alto punto de fusión, el más popular de los óxidos refractarios(34). Materiales como sílice, alúmina y otros ocurren naturalmente. El vidrio molido es una buena fuente de sílice, pero el vidrio molido también contiene otros componentes. Los materiales refractarios se producen mediante un proceso secuencial: procesamiento de materiaprima, formación y posterior cocción. El ladrillo refractario es un excelente ejemplo de un material refractario que contiene sílice, conocido por su resistencia increíblemente alta a la temperatura, se encuentra en hornos de fabricación de acero y ha contenido vidrio molido (35) como componente principal.

Vidrio molido y mejora del suelo

Los estudios han demostrado que la introducción de vidrio molido de 75 micras en suelos de tipo arcilla puede aumentar las propiedades de ingeniería del suelo. Por ejemplo, la incorporación de un 12% de vidrio sódico-cálcico molido disminuyó cinco veces los valores de hinchamiento, aumentó la relación de rodamiento de California (una medida de dureza utilizada para determinar la idoneidad de la subrasante antes del tendido de la carretera) y aumentó su resistencia a la compresión (36). Tal adición podría reducir la necesidad de reforzar fuertemente los subgrados de carretera o ferrocarril en áreas con suelos de tipo arcilla. La adición de vidrio molido se agrega debido a su naturaleza como material sin cohesión, y en un estudio disminuyó la compresibilidad del suelo tipo arcilla en más del 50%(37). La mejora del suelo mediante la adición de vidrio esmerilado puede prevenir daños en la construcción durante los períodos de cambio estacional de temperatura(38).

Polvo de vidrio en escenarios fibrosos

Un caso de uso que a menudo se pasa por alto para el vidrio esmerilado es un material de origen principal para la fabricación de materiales de tipo fibra de vidrio. El uso de vidrio esmerilado y/o calcín no solo proporciona una fuente económica y confiable de material de partida de vidrio, sino que los resultados del uso de vidrio esmerilado son los mismos que si un fabricante fabricara el producto a partir de arena fresca o sílice. Los productos de fibra de vidrio se utilizan normalmente para el aislamiento.

Lana mineral

La lana mineral, también conocida como lana de roca, es un producto fibroso formado a partir de la fusión de materiales naturales y una fuente de sílice que luego se somete a hilado y secado (similar al algodón de azúcar) hasta que se forma un material similar a la lana. De los materiales naturales, se utilizan rocas ígneas como el basalto y rocas sedimentarias como la piedra caliza. Además, se utilizan otros materiales con puntos de fusión más bajos en cantidades de hasta el 30% en peso, siendo el material restante resinas (como aglutinantes) y aceite mineral para evitar que se peguen.

De estos «otros» materiales, un aditivo cada vez más común es el polvo de vidrio esmerilado(39), que a menudo se asocia con la disminución de la temperatura de fusión global requerida, es decir, se comporta como un fundente(40). El uso de vidrio esmerilado no solo reduce los gastos, tanto al reducir los costos de material como de calefacción, sino que los informes sugieren que la adición de vidrio esmerilado puede conducir a una dimensión adicional de resistencia, lo que da lugar a una mayor durabilidad en el tiempo(41).

Fibra de vidrio

La fibra de vidrio se forma tomando un vidrio líquido que se ha producido calentando arena a aproximadamente 1.500 °C y luego forzándolo a través de una malla fina mediante fuerza centrípeta, momento en el que el vidrio fundido se enfría y solidifica al entrar en contacto con el aire. Se añaden aglutinantes para aglomerar y pegar las hebras de fibra y añadir más resistencia mecánica. Pueden lograrse diámetros de fibra más finos utilizando velocidades más rápidas de hilatura(42) con las fibras y los aglutinantes resultantes calentados para inducir la polimerización, atrapando el aire en el proceso. Las composiciones típicas tienen alrededor del 70% en peso de fibras de vidrio, aprox. 0,5 a 0,7% de resina y 0,5% de aceite mineral para evitar que se pegue. El balance de masa se completa con cuarzo y caliza(43). La fibra de vidrio moderna fabricada con calcín de vidrio esmerilado tiene un rendimiento igual al fabricado con sílice fresca(44), pero con la ventaja añadida de desviar los residuos de los vertederos y requerir un menor uso de energía para calentarse(45). Esto no solo se debe a la menor temperatura de fusión del calcín, sino también a su capacidad para comportarse como fundente. Las fibras isotrópicas se producen con fibra de vidrio producida a partir de calcín, es decir, las características de expansión térmica son las mismas en todas las direcciones(46). La resistencia mecánica es independiente de la temperatura.

metal fundido que se vierte en moldes hechos con arenas de relleno
metal fundido que se vierte

Otras aplicaciones

Tanto el vidrio en polvo como el polvo de piedra caliza son productos de desecho de varios procesos industriales en todo el mundo, y la necesidad de tratarlos sin enviarlos al vertedero es una prioridad. Un estudio muestra que con la adición de una pequeña cantidad de cemento Portland, junto con polvo de piedra caliza y vidrio en polvo puede producir un nuevo tipo de ladrillo. El nuevo ladrillo es fabricable sin necesidad de cocción en un horno, y muestra propiedades similares a los ladrillos de hormigón contemporáneos. Cabe señalar que el vidrio en polvo mejora la resistencia a la compresión/flexión, la resistencia a la abrasión y la conductividad térmica del ladrillo, al tiempo que mantiene la competitividad económica(47). En la fabricación tradicional de ladrillos de tipo arcilla, se ha demostrado que la adición de 2,5 a 10% en masa de vidrio molido de 20 micras disminuye las pérdidas de fabricación y aumenta la resistencia de 20 MPa a 29 MPa, debido a que el vidrio molido llena los poros internos de la arcilla con una fase vítrea durante la cocción (48).

De la producción de vidrio de placa, por ejemplo para su uso en ventanas, polvo de vidrio es un producto de desecho. Investigadores en Brasil han demostrado la capacidad de este vidrio esmerilado para ser utilizado en productos aislantes, como un relleno de mejora en productos de tipo fibra de vidrio(49). Se han investigado otras aplicaciones como componente en el almacenamiento de calor, con 150 micras de vidrio molido que se utiliza como soporte para n-octadío en un aislante de tipo material de cambio de fase impregnado al vacío dentro de las paredes de los edificios. El uso de vidrio esmerilado evitó la fuga del n-octadieno durante la transición de fase(50).

productos de arena para el proceso de fundición hechos con polvo de vidrio
núcleos de moldes

Consultoría de óxido de manganeso

  • El vidrio molido es una fuente primaria de sílice, que resulta ser increíblemente barato, ya que a menudo se obtiene como un producto de desecho - y se utiliza ampliamente
  • Ha encontrado uso en la producción de hormigón, reemplazando parte del cemento, a su vez haciendo que la fabricación sea menos perjudicial para el medio ambiente y proporcionando las propiedades mejoradas del hormigón
  • El uso de vidrio esmerilado puede ser útil para el medio ambiente y puede agregar resistencia al ataque químico
  • El vidrio molido es un aditivo atractivo en la producción de cemento refractario, esmaltes para cerámica e incluso la propia cerámica
  • Los materiales de fibra de vidrio pueden utilizar cantidades moderadas a grandes de calcín en lugar de material virgen, lo que ofrece un ahorro sustancial de costos con un rendimiento mejorado
  • Otros usos incluyen en aplicaciones refractarias (donde su tolerancia a alta temperatura es beneficiosa) en esmaltes, en el aislamiento de edificios, la mejora del suelo y en la fabricación de ladrillos
  • Muchas de sus aplicaciones son notablemente beneficiosas, ya que pueden desviar grandes cantidades de vidrio de los vertederos

El calcín de vidrio esmerilado es un producto atractivo para una variedad de usos, y está disponible en
African Pegmatite
, un proveedor líder de productos de vidrio, refractarios, minerales y más. El calcín de vidrio esmerilado ofrece la aplicabilidad más amplia, a menudo igualando o superando el rendimiento de la sílice virgen o el vidrio fresco en una variedad de casos de uso, al tiempo que es una alternativa ambientalmente sostenible.

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Referencias

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