cuencos acristalados en un estante

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

Introducción al vidrio y 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). Sin embargo, esto ha cambiado drásticamente en los últimos tiempos debido a muchas aplicaciones únicas que el vidrio puede cumplir.

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 concreto

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).

Consideraciones sobre el uso de vidrio esmerilado en concreto

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(7). La principal limitación al uso de vidrio molido en la fabricación de hormigón es la reacción alcalino-sílice, que es cuando los iones hidroxilo en el cemento que pueden reaccionar con la sílice del vidrio en presencia de agua(8). El efecto neto de esta reacción es la producción de un gel,"in situ" que absorbe el agua, luego se hincha, causando agrietamiento en el hormigón. La mitigación se realiza mediante el uso de tamaños de molienda adecuados de vidrio(9), el sellado del hormigón a medida que se cura para eliminar el agua atmosférica y para utilizar pequeñas cantidades de pozzolans otros/naturales o cenizas volantes(10). Se observa que la reacción álcali-sílice también se puede ver en hormigón convencional(11).

hormigón que se vierte

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, estos son principalmente óxidos, junto con pigmentos, feldespato y fritas, que también son de naturaleza de tipo sílice(12). Un estudio reciente ha demostrado el uso de vidrio reciclado en polvo (en este caso de los televisores de tubo de rayos catódicos) como componente de óxido en esmaltes cerámicos(13). 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

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 relinear reactores en procesos industriales, y especialmente en la producción de hierro y acero - este sector utiliza por sí solo 70 de la oferta mundial de refractarios(14). Los refractarios son típicamente materiales de óxido y caen en clasificaciones basadas en su composición; ácido, básico, óxido-carbono o especializado. En el caso del vidrio molido, 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(15). 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 de fuego es un ejemplo excelente 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(16) como un componente principal.

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

Vidrio esmerilado 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 12 vidrios de soda y cal molidas disminuyó cinco veces los valores de hinchazón, aumentó la relación de rodamientos de California (una medida de dureza utilizada para determinar la idoneidad de subgrado antes de la colocación de la carretera) y aumentó su fuerza de compresión ( 17). 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 añade debido a su naturaleza como material sin cohesión, y en un estudio disminuyó la compresibilidad del suelo de tipo arcilla en más de 50(18). La mejora del suelo mediante la adición de vidrio molido puede evitar daños en el edificio durante los períodos de cambio de temperatura estacional(19).

mano sosteniendo un poco de tierra

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. Se observa que el vidrio en polvo mejora la resistencia a la compresión/flexibilidad, la resistencia a la abrasión y la conductividad térmica del ladrillo, manteniendo al mismo tiempo la competitividad económica(20). En la fabricación tradicional de ladrillos de tipo arcilla, se ha demostrado que la adición de vidrio molido de 2,5 a 10 por masa de 20 micras disminuye las pérdidas de fabricación y aumenta la resistencia de 20 MPa a 29 MPa - debido al vidrio molido que llena los poros internos de la arcilla con un ph vidrioso durante el disparo(21).

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 molido para ser utilizado en productos de aislamiento, como un relleno de mejora en productos de fibra de vidrio(22). 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 molido impidió la fuga del n-octadieno durante la transición de fase(23).

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

Resumen

  • 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
  • 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

Referencias

1 I. B. Topu y M. Canbaz, Cem. Concr. Res., 2004, 34, 267

2 Y. Jiang et al., J. Env. Manag., 2019, 242, 440

3 A. Shayan y A. Xu, Cem. Concr. Res., 2004, 34, 81

4 A. Shayan y A. Xu, Cem. Concr. Res., 2006, 36, 457

5 M. Liu, Constr. Construir. Estera., 2011, 25, 919

6 M. Carsana et al, Cem. Concr. Res., 2014, 45, 39

7 M. Mirzahosseini y K. A. Cabalgando, Cem. Concr. Composiciones., 2015, 56, 95

8 K. Afshinnia y P. Rangaraju, Constr. Construir. Estera., 2015, 81, 257

9 M. Cyr et al., Constr. Construir. Estera., 2010, 24, 1309

10 N. Schwartz et al., Cem. Concr. Compos., 2008, 30, 486

11 C. Meyer, N. Egosi y C. Andela, Hormigón con Vidrio Residual como Agregado, en el Simposio Internacional sobre Tecnología De Hormigón de la ASCE y la Universidad de Dundee, Dundee, Reino Unido, 2001

12 K. Bonk et al., Tile Brick, 1992, 1, 14

13 F. Andreola et al., J. Eur. Soc cerámico., 2007, 27, 1623

14 A. M. Garbers-Craig, J. S. Afr. Inst. Metalurgia Minera, 2008, 108, 1

15 G. Almarahle, Soy. J. Appl. Sci., 2005, 2, 465

16 Patente de los Estados Unidos US1341510A, 1920, expiró

17 H. Canacki et al., Procedia Eng., 2016, 161, 600

18 M. Nuruzzaman y M. A. Hossain, Glob. J. Res. Eng. E, 2014, 14, 17

19 Y. Mawlood et al., Int. J. Geotech. Eng., 2019, DOI: 10.1080/19386362.2019.1647644

20 P. Turgut, Materiales y Estructuras, 2008, 41, 805

21 I. Demir, Gestión de residuos. Res., 2009, 27, 572

22 A. C. P. Galvao et al., Cerámica, 2015, 61, 367

23 S. A. Memon et al., Energy Build, 2013, 66, 405

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