teclo TecnoLógicas TecnoL. 0123-7799 2256-5337 Instituto Tecnológico Metropolitano - ITM 203 10.22430/22565337.3102 Research article Low Thermal Conductivity Block from a Hybrid Geopolymer Concrete based on Fly Ash and other Industrial Wastes 0009-0000-2147-8941 Martínez-Gutiérrez Fabio 1 0000-0002-8918-2132 Valencia-Saavedra William Gustavo 2 0000-0002-5404-2738 Mejía-de-Gutiérrez Ruby 3 * Universidad del Valle, Cali- Colombia, fabio.martinez@correounivalle.edu.co Universidad del Valle Universidad del Valle Cali Colombia fabio.martinez@correounivalle.edu.co Universidad del Valle, Cali- Colombia, william.gustavo.valencia@correounivalle.edu.co Universidad del Valle Universidad del Valle Cali Colombia william.gustavo.valencia@correounivalle.edu.co Universidad del Valle, Cali- Colombia, ruby.mejia@correounivalle.edu.co Universidad del Valle Universidad del Valle Cali Colombia ruby.mejia@correounivalle.edu.co ruby.mejia@correounivalle.edu.co

The authors declare no economic, professional, or personal conflicts of interest that could unduly influence the results presented in this article.

Research design and execution, manuscript drafting, and final review.

Conceptualization, supervision, research design, manuscript drafting, and final review.

Conceptualization, research design, supervision, manuscript drafting, and final review.

 23 12 2024 Sep-Dec 2024 27 61 e203 16 05 2024 16 09 2024 This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License Abstract

The use of alternative cementitious materials and the use of industrial waste as supplementary materials or aggregates in the production of concrete and structural elements that guarantee good mechanical performance, reduced dead load, and high thermal comfort are in line with the principles of circular economy in the construction sector. Therefore, the objective of this research was to develop a hybrid cement based on alkaline activation with sodium sulfate (NS) of a mixture of fly ash (CV), silica fume (HS) and ordinary Portland cement (OPC), in proportions (CV+HS)/OPC of 70/30 %. The methodology used consisted of developing the hybrid cementitious material, which was classified as having moderate heat of hydration (MCH type), and subsequently using it, in proportions of 500 and 600 kg/m3, to produce structural concretes incorporating coarse recycled aggregates (AGR) and fine recycled aggregates (AFR) in the mixture, obtained from construction and demolition waste (CDW). The 600R concrete mixture reached a compressive strength of 18.9 MPa after 28 days of curing and reported a modulus of elasticity of 27 GPa. This concrete was validated in the production of perforated structural blocks, and to improve the thermal comfort of the concrete, 10 % and 20 % of the volume of recycled fine aggregate was replaced with recycled cork. The introduction of cork in the mixture, although it reduces the compressive strength of the block (29 %), allows to reduce the thermal conductivity by 32 %. Based on the results obtained, it is concluded that the use of 10 % of cork volume as a replacement for fine aggregate in the hybrid concrete mix allows the obtaining of a structural block with thermal comfort characteristics. The mixture considered optimal according to the results obtained was composed of 52.5 CV+17.5 HS+30 OPC, 4 % NS, 70 % AGR, 20 % AFR, and 10 % cork.

 Keywords Geopolymer fly ash sodium sulfate structural block thermal conductivity 1. INTRODUCTION

Concrete made from Ordinary Portland Cement (OPC) is one of the most widely used materials in the construction industry. On average, one ton of concrete is produced annually for every person in the world, which underscores the need to consider the environmental impact of its production process, primarily in terms of Greenhouse Gas (GHG) emissions and energy consumption [1]. As a result, recent research has focused on partially or fully replacing cement with alternative binders that contribute to enhanced environmental and energy sustainability. These alternatives include alkali-activated cements and geopolymers, which aim to offer equal or superior performance compared to OPC.

The term geopolymer, coined in the 1970s, refers to the chemical reaction product of alkaline silicates and certain aluminosilicate precursors, resulting in the formation of polymeric Si-O-Al bonds [2]. Geopolymers are distinguished for their low permeability, high mechanical strength, and durability (e.g., resistance to elevated temperatures, chemical corrosion, and environmental degradation), among other advantageous properties. Current studies are investigating the mechanisms and reaction kinetics of geopolymer synthesis, as well as the microstructural and mechanical properties of this material. Such studies also explore different types of precursor materials, including fly ash, red mud, biomass ash, metallurgical waste, and recycled glass [3]-[6]. Moreover, over the past 10 years, the study of geopolymer applications has expanded across various fields, including engineering, medicine, mineralogy, geology, colloid science, modern inorganic chemistry, and physical chemistry. Such applications encompass low-cost ceramic materials, sustainable construction solutions, repair materials, protective coatings, thermal insulation, and porous materials [2].

One of the most widely used precursors for geopolymers is Fly Ash (FA), a byproduct of pulverized coal combustion in thermoelectric plants and industrial boilers. This material is considered a hazardous waste, as its release into the environment can result in adverse ecological impacts. Consequently, there is growing interest in developing recycling methods for FA to prevent it from accumulating in landfills or being stored in open environments. One promising application under study is the incorporation of FA into hybrid concretes [7], [8]. For instance, a study was conducted on the production of binders with low heat of hydration [9], utilizing class F (FAF) and class C (FAC) FA to achieve a 70 % OPC replacement by mass. The activating agent used was reagent grade sodium sulfate powder at 3 % or 5 % by mass of the binder, along with a water-to-powder (w/p) ratio of 0.40. The findings indicated that early-age strength was superior for FAC-OPC mixtures compared to FAF-OPC mixtures, with XRD analyses confirming the presence of portlandite and ettringite phases. Other studies have explored solid activator mixtures, such as sodium sulfate with powdered calcium hydroxide, or mixtures of sodium hydroxide and sodium silicate to activate FA in hybrid systems with low OPC content (30-20% by weight). Their results have suggested that the presence of OPC in the mixture favors FA dissolution due to the heat released during the cement hydration, which results in adequate hardening and strength at ambient temperature [10]-[12].

In alignment with circular economy principles, the partial or total replacement of OPC with various supplementary materials-such as FA-not only reduces energy consumption and carbon footprint but also contributes to sustainable fuel, electricity, and natural resource utilization. In addition, the use of Construction and Demolition Waste (CDW) as recycled aggregates, as well as cork waste from the agglomerate industry, is expected to ensure good mechanical performance, reduced dead load, and enhanced thermal comfort in construction applications [6], [13]. Particularly, thermal comfort is influenced by outdoor factors such as climate (humidity, temperature, airflow, solar radiation) and indoor factors like occupants’ physical activity. Therefore, selecting appropriate materials, designing for optimal thermal performance, and constructing an effective building envelope are fundamental considerations.

This applied research project aims to meet the construction industry’s current needs while reducing ecological impact, focusing on developing green concretes that utilize industrial by-products (non-hazardous industrial waste, NHIW) to minimize the excessive consumption of natural resources. In line with this objective, the project considers the sustainability criteria proposed by the Colombian Council of Sustainable Construction (CCCS), which emphasize efficient material and waste management, as well as maintaining high indoor environmental quality through features such as thermal comfort, the use of alternative raw materials, and the integration of recycled materials to enhance the sustainability of a project [14].

Considering the above, this study set out to develop a hybrid concrete by mixing high percentages of FA with OPC and using a solid activator to produce a hybrid structural geopolymer concrete block that ensures compliance with the property requirements of the NTC 4026 standard [15]. Additionally, this type of concrete was proposed for use in prefabricated materials to ensure thermal comfort in buildings. For this purpose, cork-an industrial by-product with insulating properties-was selected as an additive.

 2. EXPERIMENTAL METHODOLOGY 2.1. Material Selection and Characterization

This study used FA from a local brick plant as a precursor for hybrid alkali-activated systems. The chemical composition of the FA, determined by X-ray fluorescence using a Phillips PANalytical MagiX-Pro PW 2440 spectrometer (4 kW max), is shown in Table 1. The combined content of silicon, aluminum, and iron oxides is approximately 88.98%, which classifies the material as class F FA (minimum 70 %) according to NTC 3493 [16], equivalent to ASTM C618. Table 1 also includes the chemical composition of Silica Fume (SF), used as a replacement for FA, with a high silica content (87.60 %). For the calcium source in producing hybrid systems, general-use OPC was employed, classified as a highly blended cement incorporating limestone.

Chemical composition and particle size of FA, OPC, and SF (%)

Source: own work.

The mean particle size D (4.3), determined by laser granulometry using a Mastersizer 2000, was 24.89 μm for FA, 21.50 μm for SF, and 21.65 μm for OPC. Notably, the particle size of SF in this test appears larger than that reported in the product data sheet (0.1 μm), which is due to particle agglomeration during testing. Sodium sulfate (Na2SO4) was used as the alkali activator.

Table 2 presents the main characteristics of natural and recycled aggregates obtained from CDW samples. Recycled aggregates exhibited high absorption rates: 8.96 % for recycled fine aggregate (RFA) (NTC 237 [17] equivalent to ASTM C128) and 5.82 % for recycled coarse aggregate (RCA) (NTC 176 [18] equivalent to ASTM C127). RCA had a maximum particle size of 25.4 mm and the RFA fineness modulus was 3.17 (coarse sand) (NTC 77 [19] equivalent to ASTM C136). RCA had a wear resistance of 28.2 %, which makes it suitable for concrete mixtures (NTC 98 [20] equivalent to ASTM C131). RFA had minimal organic content (organic plate No. 1), favoring its use in mortar and/or concrete mixtures (NTC 127 [21] equivalent to ASTM C40).

Physical properties of natural and recycled aggregates

Source: own work.

To produce the reference concrete, based on 100 % OPC, natural aggregates were selected because, unlike recycled aggregates, exhibit low absorption rates (3.8 % for NFA and 3.3 % for NCA), as shown in Table 2. The maximum particle size for NCA was 19 mm, and the fineness modulus for NFA was 2.63. Cork was employed to reduce the thermal conductivity of concrete specimens because it offers a fineness modulus of 3.59 and a notably high absorption rate of 61.87 %.

 2.2. Design of Mixtures and Production of Alkali-Activated Materials

Hybrid alkali-activated systems (HAA) were obtained by combining the precursor (FA+SF) and cement (OPC) together with a solution consisting of the alkali activator Na2SO4 (NS) and water. The addition of OPC (30 % by weight) was aimed at avoiding thermal curing in the systems and, as a result, the hybrid systems hardened and developed strengths at ambient temperature.

To evaluate compressive strength at 7 and 28 days of curing, HAA systems were tested by varying NS content within a 2-6 % range and adjusting the SF replacement percentage relative to FA (0-35 % of the total mixture). Strength testing was performed on an INSTRON 3369 universal machine with a capacity of 50 kN and a loading rate of 1 mm/min. Minitab 17 software and a response surface experimental design were employed to determine the optimal proportions of NS and SF within the defined ranges, which resulted in 13 different mixtures, as shown in Table 3. The liquid-to-solid (L/S) ratio for all mixtures was 0.4.

Dosage based on experimental design

Source: own work.

Paste preparation involved a 4-minute mixing cycle in a Hobart mixer, followed by molding into 20 mm cubes. The samples were vibrated for 30 seconds to release air naturally trapped during mixing and molding, then placed in a humid chamber at ambient temperature (25 ± 3°C) for curing. A minimum of three samples per curing age was evaluated for each system.

Once the optimal proportions for the HAA pastes were determined, the development of compressive strength over a curing period of 1 to 90 days was compared with the results from a paste fully based on general-use OPC.

From the optimal systems, mortars were produced using varying weight ratios of the hybrid system to sand at 1:1, 1:2, and 1:2.75, maintaining a constant liquid-to-solid (L/S) ratio of 0.45 across all systems. These mortars were mixed for 4 minutes using a Hobart mixer, then molded into 50-mm cubes following NTC 112 [22]. Curing took place in a humid chamber at ambient temperature (25 ± 3°C), after which compressive strength was measured at 7 and 28 days using a Controls CT-1500 hydraulic press with a capacity of 1500 kN, in accordance with NTC 220 [23]. Additionally, the setting time was determined following Method B of NTC 118 [24] (equivalent to ASTM C191). Similarly, the heat evolution during alkaline activation and the total heat of reaction over 48 hours were measured using an I-Cal 8000 isothermal calorimeter, in accordance with ASTM C1702.

Following the optimization of HAA, concretes were produced using 100 % recycled aggregates (CHAA-RA) at binder dosages of 500 kg/m³ and 600 kg/m³ (designated as 500R and 600R, respectively). A reference concrete with 600 kg/m³ of HAA and natural aggregates (CHAA-NA, labeled 600N) was also produced. The granulometric combination of fine and coarse aggregates, whether recycled or natural, was maintained at 30 % and 70 %, respectively, by weight. Mixture design was carried out by adapting the absolute volume method proposed in ACI 211.1 (see Table 4>).

Dry mixture design per cubic meter of concrete (1 m³)

Source: own work.

The samples were molded into cylinders of 75 mm diameter and 165 mm height in accordance with NTC 1377 [25]. The specimens were cured in a humidity chamber at room temperature (25 ± 3°C). Once the samples reached curing ages of 7, 28, and 90 days, their compressive strength was evaluated using a Controls CT-1500 hydraulic press with a capacity of 1500 kN, following NTC 673 [26]. The modulus of elasticity was assessed using ultrasonic pulse velocity testing according to ASTM C597 [27], while Indirect Tensile Strength (ITS) was measured at 28 days of curing as per NTC 722 [28]. Moreover, density, absorption, and porosity tests were conducted on the 28-day cured concrete samples following NTC 5653 [29]. Microstructural characterization was performed using Scanning Electron Microscopy (SEM) on a JEOL JSM-6490 LV microscope at an acceleration voltage of 20 kV in low vacuum mode. To this end, samples of 1 cm³ were extracted from the optimal concrete mixture after 28 days of curing, embedded in epoxy resin, and polished on their surfaces.

Finally, using the optimal hybrid concrete mixture with recycled aggregates, perforated blocks were produced using a vibro-compactor. Some blocks incorporated granular cork as a partial replacement (10 % and 20 % by volume) of RFA to improve thermal insulation. These blocks were characterized in accordance with NTC 4024 [30] (equivalent to ASTM C140). The thermal behavior of concrete with and without cork was assessed on samples of 1.5 ± 0.2 mm thickness or height after 28 days of curing, using the Transient Plane Source (TPS) method as per ASTM C518 [31]. This assessment was conducted on a Thermtest Hot Disk TPS 500 S thermal conductivity analyzer which operates in the 0.03 W/mK range to 100 W/mK range. A Kapton 5501 sensor with a radius of 6.403 mm was used with powers of 0.15 W and 0.20 W applied during a measurement time of 40 seconds at a working temperature of 25 ± 0.5°C. This process aimed to determine whether the incorporation of cork enhances the thermal insulation properties of concrete.

 3. RESULTS AND ANALYSIS 3.1. Characterization of Hybrid Cement Based on FA-SF

Figure 1 presents contour plots derived from the strength results of the mixtures listed in Table 3. This figure illustrates the effect of NS weight percentage on compressive strength in relation to the incorporation of SF. At 7 days of curing (Figure 1a), the highest strengths are achieved with NS percentages between 2.5 % and 4.2 % and SF content between 15 % and 20 %, reaching compressive strength values of 15 MPa. After 28 days, (Figure 1b), the maximum strengths (19 MPa) occur with NS percentages between 0 % and 2 % and SF content between 25 % and 35 % by weight as a replacement for FA. The results suggest that the presence of SF promotes increased compressive strength, which may be due to its contribution of amorphous silica. This silica reacts with the calcium hydroxide formed during cement hydration, producing Calcium Silicate Hydrate (CSH) [32]-[34]. Additionally, the particle size of SF enhances paste densification [35], [36].

Contour plots for weight percentage of NS and SF: (a) 7 days of curing; (b) 28 days of curing Source: own work.

Based on the reported results, two HAA systems were selected as optimal. For the 7-day compressive strength results, the selected mixture consisted of 52.50 % FA, 17.50 % SF, 30 % OPC, and 4 % NS (HAA-1). For the 28-day results, the optimal mixture included 40 % FA, 30 % SF, 30 % OPC, and 2 % NS (HAA-2) (Figure 1). The NS dosages in these mixtures are consistent with previous studies that recommend NS values between 1 % and 5 % by weight [8], [37]-[39].

Figure 2 illustrates the compressive strength development of the optimal systems (HAA-1 and HAA-2) compared to the 100 % OPC reference mixture. An increase in compressive strength is observed across all samples as the curing time progresses. While HAA-1 exhibits the highest compressive strength at 7 days, followed by HAA-2, the reference sample surpasses them in strength at later ages. In general, the compressive strength values for HAA-1 and HAA-2 remain similar across the different curing ages evaluated.

Evolution of the average compressive strength in optimal hybrid systems incorporating SF, compared to the 100 % OPC sample Source: own work.

For its part, Figure 3 shows the compressive strength of mortars produced from HAA-1 and HAA-2 with a water-to-solid (W/S) ratio of 0.45 and various hybrid cement system-to-sand ratios at 7 and 28 days of curing, with the dosages specified in Table 5

Average compressive strength at 7 and 28 days of curing for the optimal systems HAA-1 and HAA-2 with different cement-to-sand ratios Source: own work.

Dosages of mortar mixtures for optimal systems incorporating SF and varying hybrid cement system-to-sand ratios

Source: own work.

Across all systems, compressive strength decreases as the cement-to-sand ratio increases. However, it consistently increases from 7 to 28 days of curing. Specifically, for HAA-1, compressive strength increases by 12 %, 27 %, and 24 % at cement-to-sand ratios of 1:1, 1:2, and 1:2.75, respectively. For HAA-2, these increases are 34 %, 29 %, and 5 % at the same ratios. Considering these results, HAA-1 was selected for producing the concrete mixtures, as it exhibited higher compressive strengths at most cement-to-sand ratios and curing ages. In addition, the proportion of SF is lower [35], [40]-[42].

The initial and final setting times for the HAA-1 paste were 108 and 360 minutes, respectively. This paste consisted of 52.5 % FA, 17.5 % SF, and 30 % OPC, activated with 4 % NS and a W/S ratio of 0.45. Figure 4 illustrates the heat flow of HAA-1. By determining the area under the curve, a total accumulated heat of 106 kJ/kg was obtained, which is lower than that reported for 100 % OPC systems, where values often exceed 200 kJ/kg [6], [8]. According to these results, the hybrid activated cement HAA-1 can be classified as a moderate heat of hydration cement (type MHC) according to NTC 121 [43]. This classification considers the initial setting time of 108 minutes and the 7-day compressive strength of 12.2 MPa in mortars with a cement-to-sand ratio of 1:2.75.

Heat evolution curve for HAA-1 Source: own work.

3.2. Characterization of Hybrid Concrete (CHAA) Based on FA and SF Using Recycled Aggregates

Figure 5 presents the compressive strengths of the hybrid concretes made with two HAA-1 cementitious agent proportions (500R and 600R) using 100 % recycled aggregates, along with the reference hybrid concrete containing natural aggregates (600N). In all evaluated concretes, compressive strength increased with curing time, a characteristic typical of Portland cement-based concretes. Notably, there is a significant difference in compressive strength between concretes with 600 kg/m³ of HAA-1 and those with 500 kg/m³. This increase in the 600R concrete’s strength is attributed to its higher cementitious content, leading to the formation of a greater volume of C-S-H, C-A-S-H, and (N,C)-A-S-H gels. At 28 days of curing, the 600R mix achieved a compressive strength of 18.9 MPa, surpassing by 11 % the minimum requirement of 17 MPa for structural concrete, as specified in Title C of Colombia’s Seismic Resistant Construction Regulation NSR-10 [44], based on the Regulation Requirements for Structural Concrete, ACI 318S-19 [45]. In contrast, the 500R mix reached a compressive strength of 15.6 MPa at 28 days, which is 8 % lower than the NSR-10 standard’s minimum requirement.

Compressive strength of hybrid concrete mixtures incorporating recycled aggregates at 7, 28, and 90 days of curing, with varying amounts of cementitious agent. Source: own work Source: own work.

It is also notable that the HAA-1 600R mix reported superior compressive strength compared to the hybrid mixture with natural aggregates (600N), which achieved a compressive strength of only 16.3 MPa at 28 days. This enhanced performance could be due to the reactive potential of certain recycled aggregate components (CDW), particularly the finer fractions. These components may react with the activator and partially contribute as binders in the geopolymerization process, thereby densifying the mixture and improving its mechanical strength [6], [46]-[48].

The results from the ITS tests of the concrete mixtures at 28 days of curing are presented in Table 6. The 600R mixture demonstrates a higher ITS, with an average value of 1.5 MPa, compared to the 500R and 600N mixtures. This increase in ITS for 600R may be due to enhanced adhesion between the recycled aggregates and the cement matrix. These ITS results align with the trends observed in compressive strength, showing consistent behavior across these tests.

Average indirect tensile strength of concrete mixtures at 28 days of curing

Source: own work.

Table 7 displays the results of the modulus of elasticity test for the concrete mixtures at 28 days of curing. To calculate the modulus of elasticity by the ultrasonic pulse method, ASTM C597 requires a Poisson’s ratio. Based on NSR-10 recommendations and literature values for geopolymer concretes derived from FA (ranging between 0.192 and 0.203), a value of 0.2 was selected as appropriate. Increasing the hybrid cementitious agent proportion raised the modulus of elasticity from 25.1 GPa for 500R to 27.0 GPa for 600R. However, the 600N mixture shows an even higher modulus (27.6 GPa), likely attributable to the distinct characteristics of natural aggregates.

Results of the modulus of elasticity test on concrete mixtures

Source: own work.

Table 8 presents the results of physical property evaluations, including bulk density, absorption percentage, and porosity, for concrete mixtures at 28 days of curing, in accordance with NTC 5653 [29]. The bulk density values align with those typically reported for conventional OPC concretes. 600N exhibits the highest density among the three mixtures (2680 kg/m3), attributed to the higher density of natural aggregates versus recycled aggregates.

Results of density, absorption, and porosity tests on concrete mixtures at 28 days of curing

Source: own work.

For the recycled aggregate mixtures, 600R has a higher density (2610 kg/m3) than 500R (2570 kg/m3). Concretes made with recycled aggregates display increased absorption, which is consistent with prior aggregate absorption results and corroborates findings from other studies [53]-[57]. A similar behavior is observed in the void volume percentage in the 500R and 600R mixtures. Overall, the concretes with natural aggregates demonstrate superior performance, with lower absorption and void volumes.

The microstructural analysis of the 600R concrete was conducted using SEM. As shown in Figure 6a, the surface is dense and homogeneous with low porosity. In the aggregate-matrix interface zone, the matrix demonstrates good densification, with strong adhesion visible between the concrete phases (Figure 6b), corroborating the favorable mechanical behavior observed previously.

Microstructure of 600R concrete: (a) 100 μm and (b) 50 μm Source: own work.

3.3. Production and Characterization of a Perforated Block from CHAA with Cork Replacement

Perforated blocks were manufactured from CHAA-600R concrete (Figure 7), replacing RFA with cork at 10 % and 20 % by volume for CHAA-F1 and CHAA-F2, respectively. The results of their characterization were compared with those of the reference block without cork (CHAA-F0), which contained 100 % RFA. Physical and mechanical test followed NTC 4024, NTC 4026, and NTC 4076 standards [30], [15], [58].Table 9lists the requirements for structural and non-structural block classification.

Blocks released from the vibro-compactor Source: own work.

Requirements for compressive strength, water absorption, and weight classification of concrete units for structural and non-structural masonry (N-S) according to NTC 4026 <sup>[</sup><xref ref-type="bibr" rid="B15"><sup>15</sup></xref><sup>]</sup> and NTC 4076 <sup>[</sup><xref ref-type="bibr" rid="B58"><sup>58</sup></xref><sup>]</sup>

Source: own work.

Table 10 presents the properties and characteristics of the perforated blocks. Notably, the 28-day compressive strength of CHAA-F0 reached 10.2 MPa, exceeding the NTC 4026 threshold of 8 MPa for Low-Class Structural Block classification by 27 %. For CHAA-F1 and CHAA-F2, the compressive strengths were 7.2 MPa and 6.2 MPa, respectively, classifying them as non-structural elements [58]. The observed decrease in compressive strength with increased cork volume aligns with prior findings, where cork addition leads to diminished mechanical properties [13], [59].

Block properties obtained at 28 days of curing, following the standards NTC 4026 <sup>[</sup><xref ref-type="bibr" rid="B15"><sup>15</sup></xref><sup>]</sup> and NTC 4076 <sup>[</sup><xref ref-type="bibr" rid="B58"><sup>58</sup></xref><sup>]</sup>

Source: own work.

As shown in prior results, concretes produced with the alkali-activated system continue to significantly increase their compressive strength at prolonged curing ages. Accordingly, block performance was re-evaluated at 90 days. For the CHAA-F0 block, the 90-day compressive strength qualifies it as a High-Class Structural Block per NTC 4026 requirements. Meanwhile, CHAA-F1 and CHAA-F2 met Low-Class Structural Block criteria, with compressive strengths of 11.6 MPa and 9.6 MPa, respectively, surpassing the minimum requirement by up to 45 %.

According to NTC 4026, the allowable maximum water absorption for medium-weight blocks (1680-2000 kg/m3) is 15 %. However, all three block types demonstrated absorption rates of approximately 17 %, likely due to the use of recycled aggregates (CDW). It should be noted that NTC 4024 establishes that these water absorption and compressive strength limits must be achieved within 12 months after production, a feasible target given the ongoing improvement in mechanical properties and material densification. The results at both 28 and 90 days affirm the suitability of CHAA for prefabricated construction applications.

 3.4. Evaluation of the Effect of Cork Incorporation on Thermal Behavior of Concrete

Table 11 presents the thermal properties of concrete containing 600 kg/m3 of HAA-1 cementitious agent, specifically for mixtures with natural aggregates (CHAA-F0N), recycled aggregates (CHAA-F0R), and recycled aggregates partially replaced by cork at 10 % and 20 % (CHAA-F1 and CHAA-F2, respectively). Moreover, the volumetric heat capacity was calculated by multiplying each sample’s density by its specific heat.

Thermal properties of the samples at 28 days of curing

Source: own work.

The F0N concrete sample, containing natural aggregates, exhibited the highest thermal conductivity and diffusivity. This may be due to the lower porosity of natural aggregates, which allows for more efficient heat transmission. In comparison, samples with recycled aggregates and cork replacements showed reductions in thermal conductivity of 5 %, 36 %, and 33 % for F0R, F1, and F2 concretes, respectively. The thermal diffusivity results follow a similar trend, with F1 and F2 concretes displaying the lowest values. Specifically, comparing F0R with F1 and F2 shows a reduction in thermal conductivity of 32 % and 29 %, respectively. These results confirm that adding cork reduces thermal conductivity, which aligns with a corresponding reduction in mechanical strength, consistent with findings in previous studies [13], [59].

 4. CONCLUSIONS

The results of this study demonstrate that it is feasible to produce a structural-grade block from a hybrid geopolymer concrete activated with 4 % NS and based on FA by combining 52.5 FA+17.5 SF+30 OPC and using recycled aggregates derived from CDW.

The early-age compressive strengths (7 days) of the hybrid concretes ranged from 12 MPa to 15 MPa-satisfactory for a geopolymeric material based on FA, containing minimal OPC, activated by NS, and incorporating recycled aggregates.

This eco-product, with its use of industrial by-products, alternative solid activator, minimal OPC content, and room-temperature curing, suggests a lower carbon footprint compared to traditional structural blocks made from 100 % OPC with natural aggregates or baked clay.

The addition of cork to the sample, while reducing compressive strength, enhances thermal properties. Importantly, the strength of these alkali-activated materials continues to increase over time. Thus, after 90 days, blocks with cork additions progressed from a non-structural to a structural classification, meeting the required standards for structural blocks.

Therefore, incorporating 10 % cork by volume as a fine aggregate replacement is recommended to achieve a structural block with improved thermal comfort.

 5. ACKNOWLEDGMENTS AND FUNDING

The authors, as members of the Composite Materials Research Group (abbreviated CENM in Spanish), extend their gratitude to Universidad del Valle (Cali) for their support in conducting this study.

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Artículos de investigación Bloque de baja conductividad térmica a partir de un concreto geopolimérico híbrido basado en cenizas volantes y otros residuos industriales ruby.mejia@correounivalle.edu.co

Los autores declaran que no existe ningún conflicto de intereses económicos, profesionales o personales que puedan influir de forma inapropiada en los resultados obtenidos en este artículo.

Diseño y desarrollo de la investigación, redacción y revisión final del manuscrito.

Conceptualización, supervisión, diseño de la investigación, redacción y revisión final del manuscrito.

Conceptualización, diseño de la investigación, supervisión, redacción y revisión final del manuscrito.

 Resumen

La utilización de cementantes alternativos y el aprovechamiento de residuos industriales, como materiales suplementarios o agregados en la producción de concretos y elementos estructurales que garanticen buenas prestaciones mecánicas, disminución de la carga muerta y un elevado confort térmico, están en concordancia con los principios de economía circular en el sector de la construcción. Por ello, el objetivo de esta investigación fue desarrollar un cemento híbrido basado en la activación alcalina con sulfato de sodio (NS) de una mezcla de ceniza volante (CV), humo de sílice (HS) y cemento portland de uso general (OPC, por sus siglas en inglés), en proporciones (CV+HS)/OPC del 70/30 %. La metodología empleada consistió en desarrollar el cementante hibrido, el cual fue clasificado como de moderado calor de hidratación (tipo MCH), y posteriormente utilizarlo, en proporciones de 500 kg/m3 y 600 kg/m3 para producir concretos estructurales incorporando en la mezcla agregados reciclados gruesos (AGR) y finos (AFR), obtenidos a partir de residuos de construcción y demolición (RCD). La mezcla 600 R a 28 días de curado alcanzó un valor de 18,9 MPa, y reporto un módulo de elasticidad de 27 GPa. Este concreto se validó en la producción de bloques perforados estructurales y, con el fin de mejorar el confort térmico de los concretos, se realizó sustitución del 10 % y 20 % en volumen de agregado fino reciclado por corcho reciclado. La introducción de corcho en la mezcla, aunque redujo la resistencia a compresión del bloque en un 29 %, permitió disminuir la conductividad térmica en un 32 %. Basado en los resultados obtenidos, se concluye que el uso de un 10 % en volumen de corcho como reemplazo del agregado fino en la mezcla de concreto híbrido permite obtener un bloque estructural con características de confort térmico. Las proporciones de la mezcla considerada óptima fueron de 52,5 CV+17,5 HS+30 OPC, 4 % NS, 70 % AGR, 20 % AFR, y 10 % corcho.

 Palabras clave: Geopolímero ceniza volante sulfato de sodio bloque estructural conductividad térmica 1. INTRODUCCIÓN

El concreto a base de cemento Portland ordinario (OPC por sus siglas en inglés) es uno de los materiales más utilizados en la industria de la construcción. En promedio se produce aproximadamente una tonelada de hormigón cada año por cada ser humano en el mundo, por lo que es imperativo considerar el impacto ambiental generado en su proceso de producción, y de manera especial las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y el consumo energético asociado a la producción del cemento portland (OPC) [1]. Debido a esto, en los últimos años se viene investigando la opción de reemplazar parcial o totalmente el cemento por otros materiales aglutinantes alternativos que, contribuyendo a un mayor sostenimiento ambiental y energético, reportan un desempeño igual o superior al del OPC. Entre estos materiales han surgido los cementos activados alcalinamente y geopoliméricos.

El término geopolímero surgió en 1970 y se asoció al producto de la reacción química de silicatos alcalinos con algunos precursores tipo aluminosilicatos que dan lugar a la formación de cadenas poliméricas de Si-O-Al [2]. Estos materiales se destacan por la baja permeabilidad, buena resistencia mecánica, buena durabilidad (resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión química y al medio ambiente), entre otras propiedades. En la actualidad, se han realizado estudios sobre los mecanismos y cinética de reacción de la síntesis geopolimérica, las microestructuras y propiedades mecánicas, así mismo se han estudiado diversos tipos de materiales precursores que se pueden utilizar para sintetizar un geopolímero, tales como cenizas volantes, lodos rojos, cenizas de biomasa, desechos de la industria metalúrgica, vidrio reciclado, entre otros [3]-[6]. El número de aplicaciones de los geopolímeros se ha ampliado en estos últimos diez (10) años a muchos campos, tales como la ingeniería, medicina, mineralogía, geología, ciencia coloidal, química inorgánica moderna, química física, con ejemplos en diferentes sectores industriales, entre estos se han desarrollado materiales cerámicos de bajo costo, materiales de construcción sostenibles, materiales de reparación, recubrimientos, aislamiento térmico, materiales porosos, entre otros [2].

Uno de los precursores de los geopolímeros más utilizados es la ceniza volante (CV) o fly ash en inglés (FA), la cual es un subproducto de la combustión del carbón pulverizado en centrales termoeléctricas y calderas industriales; este es considerado un residuo ecológicamente problemático ya que su contacto genera cambios indeseables en las características medioambientales, lo cual afecta negativamente a los seres vivos. Existe por tanto un interés en desarrollar nuevos métodos de reciclaje para la CV, evitando que permanezcan en los depósitos donde es acumulada y ubicada al aire libre; una aplicación que se viene estudiando actualmente es la incorporación de estas cenizas volantes en concretos híbridos [7], [8]. Tal es el caso de la investigación para producir aglomerantes de bajo calor de hidratación [9], en donde se utilizaron cenizas volantes clase F (CVF) y C (CVC), con un nivel de reemplazo del OPC del 70 % en masa, y un agente activador en polvo, sulfato de sodio de grado reactivo al 3 % y 5 % en peso respecto a la masa del aglutinante, además de una relación liquido/solido (L/S) de 0,40; los autores concluyeron que la resistencia a edad temprana fue superior para las mezclas CVC-OPC comparado con las mezclas CVF-OPC y mediante ensayos DRX confirmaron la presencia de portlandita y ettringita. Otros autores en sus investigaciones han trabajado con mezclas de activadores sólidos como sulfato de sodio e hidróxido de calcio en polvo o mezclas de hidróxido de sodio y silicato de sodio para activar cenizas volantes en sistemas híbridos con contenidos bajos de OPC (30-20 % en peso), considerando que la presencia de OPC en la mezcla favorece la disolución de la ceniza volante debido al calor liberado durante la hidratación del cemento por lo cual se alcanza endurecimiento y resistencias adecuadas a temperatura ambiente [10]-[12].

En el marco de la aplicación de los principios de economía circular, el reemplazo parcial o total del cemento Portland por diferentes materiales suplementarios, como es el caso de la ceniza volante, contribuye desde el punto de vista ambiental con un menor gasto energético, menor huella de carbono, bajo consumo de combustibles, electricidad y recursos naturales. Adicionalmente el aprovechamiento de residuos de construcción y demolición (RCD) como agregados reciclados y de residuos de corcho de la industria de aglomerados se espera garanticen buenas prestaciones mecánicas, disminución de la carga muerta y un elevado confort térmico para aplicaciones constructivas [6], [13]. En particular, el confort térmico toma en cuenta diversos factores, entre los cuales el clima exterior (humedad ambiental, temperatura, flujo de aire, radiación solar, entre otros) y la actividad física que realice la persona al interior del recinto son importantes, por tanto, la elección adecuada de materiales en el proceso constructivo, su diseño y la envolvente de la vivienda son criterios fundamentales para tomar en consideración.

El presente proyecto de investigación aplicada busca satisfacer las necesidades actuales de la sociedad, en la industria de la construcción, a un menor costo ecológico, particularmente en el desarrollo de los llamados concretos verdes que hacen uso de subproductos industriales (Residuos industriales no-peligrosos, RINP) y protegen el consumo excesivo de los recursos naturales. En este sentido se consideran los criterios de sostenibilidad planteados por el Consejo Colombiano de Construcción Sostenible (CCCS), el cual recomienda el manejo eficiente de materiales, residuos y la calidad del ambiente al interior de edificaciones implementando características como el confort térmico, uso de materias primas alternativas e incorporación de materiales reciclados para hacer verde un proyecto [14].

Teniendo en cuenta lo anterior, el objetivo de este estudio fue desarrollar un concreto híbrido, al mezclar CV en elevados porcentajes con OPC y posteriormente, utilizando un activador de carácter sólido, producir un bloque de concreto geopolimérico híbrido de tipo estructural, que garantice la obtención de las propiedades exigidas según la norma NTC 4026 [15]. Además, se propuso a partir de este tipo de concreto lograr un material prefabricado que garantice un confort térmico en las edificaciones, para lo cual se seleccionó la adición de un material con características aislantes como el corcho, el cual también es un residuo industrial.

 2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 2.1 Selección y caracterización de materiales

En el presente estudio se utilizó como precursor de los sistemas híbridos de activación alcalina una ceniza volante (CV), procedente de una industria ladrillera de la región. La composición química de CV, determinada por fluorescencia de rayos X en un espectrómetro Phillips PANalytical MagiX-Pro PW 2440 con potencia máxima de 4 kW, es incluida en la Tabla 1. La sumatoria de los óxidos de sílice, aluminio y hierro es aproximadamente del 88,98 % y acorde a la norma NTC 3493 [16] (homóloga a ASTM C618) (70 % mínimo) se puede clasificar como una ceniza volante tipo F. La composición química del humo de sílice (HS), empleado como reemplazo de CV, está incluida en la Tabla 1, se destaca el alto contenido de sílice (87,60 %). Como fuente de calcio para la fabricación de los sistemas híbridos, se utilizó un cemento portland de uso general (OPC), cuyas características indican que corresponde a un cemento altamente adicionado, en este caso con un material calizo.

Composición química y tamaño de partícula de la CV, OPC y HS (%)

Fuente: elaboración propia.

El tamaño medio de partícula D (4,3), determinado por la técnica de granulometría láser en un equipo Mastersizer 2000, fue de 24,89 μm, 21,50 μm y 21,65 μm, para CV, HS y OPC respectivamente. Cabe anotar que la determinación del tamaño de partícula del HS por esta técnica arroja un valor más elevado que el reportado en la ficha técnica del producto (0,1 μm), esto se debe a la aglomeración de las partículas durante el proceso de ensayo. Como activador alcalino se utilizó sulfato de sodio (Na2SO4) de uso industrial.

La Tabla 2 presenta las principales características de los agregados naturales y reciclados obtenidos a partir de una muestra de residuos de construcción y demolición (RCD). Los agregados reciclados presentaron altos niveles de absorción; 8,96 % (NTC 237 [17] homóloga a ASTM C128) para el agregado fino reciclado (AFR) y 5,82 % (NTC 176 [18] homóloga a ASTM C127) para el caso del agregado grueso reciclado (AGR). El tamaño máximo del AGR fue de 25,4 mm y el módulo de finura del AFR fue de 3,17 (arena gruesa) (NTC 77 [19] homóloga a ASTM C136). La resistencia al desgaste del AGR fue del 28,2 %, siendo posible su uso en la producción de mezclas de concreto teniendo en cuenta este valor y los estipulado por la NTC 98 [20] (homóloga a ASTM C131). El contenido de materia orgánica (NTC 127 [21] homóloga a ASTM C40) del AFR fue el mínimo (organic plate No. 1), permitiendo su uso en mezclas de morteros y/o concretos.

Propiedades físicas de los agregados naturales y reciclados

Fuente: elaboración propia.

Para producir el concreto de referencia, basado en 100 % OPC, se emplearon agregados naturales, los cuales, a diferencia de los reciclados, presentan bajos porcentajes de absorción (3,8 % para el agregado fino natural (AFN) y 3,3 % para el agregado grueso natural (AGN), tal como se puede apreciar en los resultados reportados en la Tabla 2. AGN presento un tamaño máximo de 19 mm y AFN un módulo de finura de 2,63.

Con el objeto de reducir la conductividad térmica de los especímenes de concreto se empleó corcho; este material presentó un módulo de finura de 3,59, y dadas sus características físicas un porcentaje de absorción bastante elevado (61,87 %).

 2.2 Diseño de mezclas y producción de los materiales álcali-activados

A partir de la combinación del precursor (CV+HS) y el cemento (OPC) junto con una disolución compuesta por el activador alcalino, Na2SO4 (NS) y agua, se obtuvieron los sistemas híbridos de activación alcalina (HCV). La adición de OPC (30 % en peso) se hizo con el fin de evitar el curado térmico en los sistemas, y efectivamente los sistemas híbridos endurecieron y desarrollaron resistencias a temperatura ambiente.

En los sistemas HCV se evaluó el efecto en la resistencia a la compresión (7 y 28 días de curado) del contenido de activador NS en el rango de 2-6 %, y el porcentaje de remplazo de HS con respecto a la ceniza volante (0-35 % de la mezcla total). El ensayo de resistencia se realizó en una máquina universal INSTRON 3369 con capacidad de 50 kN y una velocidad de 1 mm/min. Para obtener las proporciones óptimas de NS y HS, en los rangos anteriormente definidos, se empleó el software Minitab 17 y un diseño experimental de superficie de respuesta que arrojo un total de 13 mezclas, tal como se muestra en la Table 3. La relación liquido/solido (L/S) en todas las mezclas fue de 0,4. Para la preparación de las pastas, se utilizó una mezcladora Hobart, y el tiempo de mezclado fue de 4 minutos. Las pastas se moldearon en cubos de 20 mm de lado y se sometieron a vibración durante 30 segundos con el objeto de remover el aire naturalmente atrapado durante el mezclado y moldeo, seguido se introdujeron en una cámara húmeda a temperatura ambiente (25 ± 3 °C) en donde se realizó su proceso de curado. Para cada sistema por edad de curado se evaluaron un mínimo de 3 muestras.

Dosificación basada en diseño de experimentos

Fuente: elaboración propia.

Definidas las proporciones óptimas de las pastas HCV, se realizó una comparación de la evolución de la resistencia a la compresión (1-90 días de curado) con los resultados correspondientes al de una pasta basada 100 % en OPC (Tipo UG).

A partir de los sistemas óptimos se produjeron morteros, variando la relación en peso del sistema híbrido: arena en relación 1:1, 1:2 y 1:2,75 y empleado en todos los sistemas una relación constante (L/S de 0,45). Los morteros se elaboraron utilizando una mezcladora Hobart con un tiempo de mezclado de 4 minutos. Las muestras se moldearon en cubos de 50 mm de lado de acuerdo con los lineamientos definidos en la norma NTC 112 [22]. El proceso de curado de las muestras se realizó en una cámara húmeda a temperatura ambiente (25 ± 3 °C), para posteriormente determinar la resistencia a la compresión a las edades de 7 y 28 días por medio del ensayo en una prensa hidráulica Controls CT-1500 con capacidad de 1500 kN siguiendo el procedimiento de la norma NTC 220 [23]. Complementariamente se determinaron el tiempo de fraguado y el flujo de calor. El tiempo de fraguado se determinó según el método B descrito en la norma NTC 118 [24] (homóloga a ASTM C191), y la evolución de calor (durante la activación alcalina) y calor total de reacción (48 horas) fueron evaluados por medio de un calorímetro isotérmico I-Cal 8000 (ASTM C1702).

A partir de la optimización del cementante (HCV) se produjeron concretos utilizando 100 % agregados reciclados (CHCV-AR), con una cantidad de cementante de 500 y 600 kg/m3 (500 R y 600 R respectivamente) y un concreto referencia utilizando 600 kg/m3 de HCV y agregados naturales (CHCV-AN) (600 N). La combinación granulométrica de agregado fino y agregado grueso en % en peso, ya sea reciclado o natural, se estableció en 30 % y 70 % respectivamente. La dosificación de la mezcla se realizó adaptando el “método del volumen absoluto” propuesto en la ACI 211.1 (Tabla 4).

Dosificación de mezclas en seco por metro cúbico de concreto (1 m<sup>3</sup>)

Fuente: elaboración propia.

Las muestras fueron moldeadas en cilindros de 75 mm de diámetro por 165 mm de alto siguiendo los lineamientos de la NTC 1377 [25]. El curado de los especímenes se realizó en cámara húmeda a temperatura ambiente (25 ± 3 °C). Una vez las muestras cumplieron edades de curado de 7, 28 y 90 días se evaluó la resistencia a la compresión empleando una prensa hidráulica Controls CT-1500 con capacidad de 1500 kN, bajo la NTC 673 [26]. Se determinó el módulo de elasticidad por medio del ensayo de pulso ultrasónico y la resistencia a la tracción indirecta (RTI) a los 28 días de curado mediante las normas ASTM C597 [27] y la NTC 722 [28], respectivamente. Adicionalmente, se realizó el ensayo de densidad, absorción y porosidad del concreto siguiendo la metodología de la norma NTC 5653 [29] a las muestras con 28 días de curado. La caracterización microestructural se llevó a cabo por mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), utilizando un microscopio JEOL JSM-6490 LV con un voltaje de aceleración de 20 kV en bajo vacío (low vacuum mode); para ello se emplearon muestras de 1 cm3 que se extrajeron de la mezcla óptima de concreto a los 28 días de curado, luego se encapsularon en resina epóxica y posteriormente fueron pulidas en su superficie.

Finalmente, con la mezcla óptima de concreto híbrido con agregados reciclados se fabricaron bloques perforados en una máquina vibrocompactadora y bloques con la sustitución de agregado fino reciclado por corcho granular en porcentajes del 10 % y 20 % en volumen, con el objetivo de mejorar el comportamiento térmico del bloque. Estos bloques fueron caracterizados de acuerdo con lo establecido en la norma NTC 4024 [30] (homóloga a ASTM C140). El comportamiento térmico de los concretos con y sin corcho se evalúo en muestras con un espesor o altura de 1,5 ± 0,2 mm con 28 días de curado, por medio del método fuente de plano transitorio (TPS, por sus siglas en inglés) que se realiza conforme a la norma ASTM C518 [31] en un Analizador de Constantes Térmicas Hot Disk modelo TPS 500 S de Thermtest - Thermal conductivity instruments en un rango de trabajo de 0,03 a 100 W/mK en conductividad térmica, empleando un sensor Kapton 5501 de radio 6,403 mm, una potencia aplicada de 0,15 y 0,20 W y un tiempo de medida de 40 segundos a una temperatura de trabajo de 25 ± 0,5 °C, lo anterior para evaluar si la incorporación de corcho en las mezclas de concreto favorece las propiedades de aislamiento térmico.

 RESULTADOS Y ANÁLISIS 3.1 Caracterízación del cemento híbrido basado en CV-HS

En la Figura 1 se muestran los gráficos de contorno obtenidos a partir de los resultados de resistencia de las mezclas incluidas en la Tabla 3. En esta figura se puede apreciar el efecto en la resistencia mecánica a compresión (RC) del porcentaje en peso del Na2SO4 (NS) en relación con la incorporación de HS. A los 7 días de curado (Figura 1a), las resistencias más altas se obtienen con NS entre 2,5 y 4,2 % y con una incorporación de HS entre 15 % y 20 %, alcanzando valores de resistencia de 15 MPa. En la Figura 1b, se observa la evolución de la resistencia a los 28 días, en este caso, se observa que las resistencias más altas (máximo 19 MPa), se obtienen con porcentajes de NS entre 0 y 2 %, con una incorporación de HS entre 25 % y 35 % en peso como reemplazo de CV. Se evidencia que la presencia de HS promueve la ganancia de RC, lo que puede estar relacionado con el aporte de sílice amorfa de HS que al reaccionar con el hidróxido de calcio producido por la hidratación del cemento da lugar a la formación de silicato de calcio hidratado (CSH) [32]-[34]. Adicionalmente el tamaño de las partículas de HS contribuye a una mayor densificación de la pasta [35], [36].

Gráficos de contorno para el porcentaje en peso de Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> y HS: (a) 7 y (b) 28 días de curado Fuente: elaboración propia.

De los resultados reportados se seleccionaron dos sistemas HCV como óptimos, así a partir de los resultados de RC a 7 días se seleccionó la mezcla 52,50 % CV, 17,50 % HS, 30 % OPC y 4 % Na2SO4 (HCV-1), y con base en los resultados de 28 días se seleccionó la mezcla 40 % CV, 30 % HS, 30 % OPC y 2 % Na2SO4 (HCV-2) (Figura 1). La dosificación de NS obtenida en estas mezclas concuerda con reportes previos que sugieren utilizar valores entre 1 % a 5 % en peso. [8], [37]-[39].

En la Figura 2 se observa la evolución de la resistencia a compresión de los sistemas óptimos (HCV-1 y HCV-2), comparados con los reportados por una pasta de referencia basada en 100 % OPC. Se puede observar un aumento de RC para todas las muestras conforme aumenta la edad de curado. Aunque a los 7 días de curado la muestra HCV-1 presenta la mayor RC seguida por HCV-2, a edades superiores la muestra de referencia las supera en resistencia. En general, los valores RC de HCV-1 y HCV-2 son bastante similares en las diferentes edades de curado evaluadas. La RC de los morteros producidos a partir de los sistemas híbridos óptimos (HCV-1 y HCV-2) con una relación L/S de 0,45 y diferentes relaciones sistema cementante híbrido:arena (C:A) a 7 y 28 días de curado, cuya dosificación es incluida en la Tabla 5, se presentan en la Figura 3. En general, se aprecia una disminución en la RC de cada sistema a medida que aumenta la relación C:A, no obstante, se puede apreciar un incremento de RC de 7 a 28 días de curado en todas las mezclas, así en HCV-1 del 12 %, 27 % y 24 % y para HCV-2 un incremento del 34 %, 29 % y 5 % para C:A de 1:1, 1:2 y 1:2,75, respectivamente. A partir de estos resultados se selecciona el sistema HCV-1 como cementante para producir las mezclas de concreto debido a que en la mayoría de las relaciones C:A y edades de curado evaluadas presento mayores RC, y además la proporción de HS es menor [35], [40]-[42].

Evolución de la resistencia a compresión promedio de sistemas híbridos óptimos con HS comparado con muestra de 100 % OPC Fuente: elaboración propia.

Dosificación de las mezclas de mortero para los sistemas óptimos con HS variando la relación sistema cementante híbrido:arena (C:A)

Fuente: elaboración propia.

Resistencia a la compresión (RC) promedio a los 7 y 28 días de curado de los sistemas óptimos HCV-1 y HCV-2 con diferente relación C:A Fuente: elaboración propia.

El tiempo inicial de fraguado de la pasta HCV-1, compuesta por 52,5 % de CV, 17,5 % de HS y 30 % de OPC, activado con NS al 4 % y una relación L/S de 0,45 fue de 108 minutos y el final de 360 minutos. En la Figura 4 se observa el flujo de calor de HCV-1, al determinar el área bajo la curva se obtuvo un calor total acumulado de 106 kJ/kg, el cual es menor al reportado por sistemas 100 % OPC que pueden presentar valores superiores a los 200 kJ/kg, esto concuerda con reportes en la literatura [6], [8]. Acorde a estos resultados el cemento híbrido activado HCV-1 puede ser clasificado como un cemento de moderado calor de hidratación (tipo MCH) según la NTC 121 [43], teniendo en cuenta el tiempo de fraguado inicial de 108 minutos y la RC promedio de 12,2 MPa a 7 días de curado en morteros con relación C:A de 1:2,75.

Curva de evolución del calor para HSV-1 Fuente: elaboración propia.

3.2 Caracterización del concreto híbrido (CHCV) basado en CV y HS, utilizando agregados reciclados

En la Figura 5 se presentan las resistencias a la compresión de los concretos híbridos para dos proporciones de cementante HCV-1 y 100 % agregados reciclados (500 R y 600 R), y el concreto híbrido de referencia, es decir conteniendo agregados naturales (600 N). En general, en todos los concretos evaluados hay un incremento en la resistencia a la compresión con el tiempo de curado, comportamiento característico de concretos basados en cemento Portland. Así mismo, se aprecia una marcada diferencia entre los concretos con 600 Kg/m3 de HCV-1 con respecto a los concretos fabricados con 500 Kg/m3. Este incremento resistente del concreto 600 R se debe al mayor contenido de cementante y por tanto a la generación de mayor cantidad de geles C-S-H, C-A-S-H y (N,C)-A-S-H. La mezcla 600 R a 28 días de curado alcanzó un valor de 18,9 MPa, superando en 11 % el límite especificado de 17 MPa como RC mínima para un concreto estructural según el título C del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10 [44], basado en la normativa “Requisitos de reglamento para concreto estructural, ACI 318S-19” [45]. La mezcla 500 R a 28 días alcanzo un valor RC de 15,6 MPa, un 8 % menor que la RC mínima que estipula la norma NSR-10. Es de destacar el mejor desempeño de la RC reportado por la mezcla HCV-1 600 R comparado al reportado por la mezcla híbrida con agregados naturales (600 N), la cual reportó a 28 días un valor de RC de apenas 16,3 MPa. Lo anterior, podría deberse a que parte de los agregados reciclados (RCD), en especial la fracción más fina, podría incluso reaccionar con el activador y actuar parcialmente como aglutinante en el proceso de geopolimerización, en consecuencia, densificar la mezcla favoreciendo las resistencias mecánicas [6], [46]-[48].

Resistencia a la compresión de mezclas de concreto híbrido con agregado reciclado a 7, 28 y 90 días de curado, cantidad de cementante variable Fuente: elaboración propia.

Los resultados obtenidos en los ensayos de tracción indirecta (RTI) de las mezclas de concreto a los 28 días de curado se muestran en la Tabla 6. Se evidencia que la RTI de la mezcla 600 R, en comparación con las mezclas 500 R y 600 N, tiene un valor promedio de 1,5 MPa, probablemente esto pueda atribuirse a una mayor adhesión a la matriz por parte de los agregados reciclados. Estos resultados de RTI corroboran los obtenidos en RC en donde se presentó la misma tendencia.

Resistencia a la tracción indirecta (RTI) promedio de las mezclas de concreto a 28 días de curado

Fuente: elaboración propia.

Los resultados del ensayo de módulo de elasticidad de las mezclas de concreto a los 28 días de curado se muestran en la Tabla 7. Según los requerimientos de la norma ASTM C597 para el cálculo del módulo de elasticidad por medio del método de pulso ultrasónico se necesita el coeficiente o relación de Poisson, para lo anterior la NSR-10 recomienda un valor de 0,2 en concretos de peso normal, este valor se consideró apropiado teniendo en cuenta los valores encontrados en la literatura para diferentes concretos geopoliméricos basados en ceniza volante, valores que fluctúan entre 0,192 y 0,203 [49]-[52]. El incremento de la proporción del cementante híbrido dio lugar a un incremento en el módulo de elasticidad, de 25,1 GPa para la mezcla 500 R a 27,0 GPa para la mezcla 600 R. A su vez, la mezcla 600 N presento un módulo de elasticidad mayor (27,6 GPa) comparado con el módulo de la mezcla 600 R, que puede deberse a la naturaleza de los agregados.

Resultados del ensayo de módulo de elasticidad en mezclas de concreto

Fuente: elaboración propia.

En la Tabla 8 se muestran los resultados de las propiedades físicas evaluadas en las mezclas de concreto a los 28 días de curado como lo son densidad aparente, porcentaje de absorción y porosidad determinados mediante la norma NTC 5653 [29]. Los valores de densidad aparente de las mezclas evaluadas se encuentran en el rango de los reportados para concretos convencionales basados en OPC. La mezcla 600 N tiene la mayor densidad entre las tres mezclas de concreto, con un valor de 2680 kg/m3, esto se debe a que la densidad de los agregados naturales es mayor comparada a la de los agregados reciclados.

Resultados del ensayo densidad, absorción y porosidad en mezclas de concreto a los 28 días de curado

Fuente: elaboración propia.

Para las mezclas con agregados reciclados se observa que la densidad de la mezcla 600 R es mayor comparada con la mezcla 500 R, con valores de 2610 kg/m3 y 2570 kg/m3 respectivamente. Se evidencia que los concretos fabricados con agregados reciclados presentan una mayor absorción, lo cual se ajusta a los resultados de absorción de los agregados reportados previamente y coincide con lo reportado por diversos autores [53]-[57]. Por último, se observa un comportamiento similar en el porcentaje de volumen de vacíos en las mezclas 500 R y 600 R. En general, el mejor comportamiento se obtuvo en los concretos fabricados con agregados naturales, menor absorción y volumen de espacios vacíos.

El análisis de la microestructura del concreto 600 R se llevó a cabo mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), en la Figura 6a se aprecia una superficie densa, homogénea y con baja porosidad. En la zona de interfaz agregado-matriz se identifica que la matriz aporta una buena densificación y se observa una buena adhesión entre estas dos fases del concreto (Figura 6b), ratificando el buen comportamiento mecánico obtenido anteriormente.

Microestructura de concreto 600R: (a) 100 μm y (b) 50 μm Fuente: elaboración propia.

3.3 Producción y caracterización de una aplicación constructiva (tipo bloque perforado) a partir del CHCV con remplazo de corcho

A partir del concreto CHCV-600R fueron producidos bloques perforados de concreto (Figura 7), con sustitución de AFR por corcho en un 10 % y 20 % en volumen (CHCV-F1 y CHCV-F2 respectivamente) y los resultados se compararon con el bloque sin corcho, es decir con 100 % AFR (CHCV-F0). La caracterización físico-mecánica se llevó a cabo de acuerdo con lo establecido en la norma NTC 4024, NTC 4026 y NTC 4076 [30], [15], [58]. En la Tabla 9 se muestran las especificaciones que deben de cumplir los bloques para ser clasificados como estructurales y no estructurales.

Bloques después de ser liberados por la máquina vibrocompactadora Fuente: elaboración propia.

Requisitos de resistencia a la compresión, absorción de agua y clasificación del peso de unidades de concreto para mampostería estructural y no estructural según las normas NTC 4026 <sup>[</sup><xref ref-type="bibr" rid="B15"><sup>15</sup></xref><sup>]</sup> y NTC 4076 <sup>[</sup><xref ref-type="bibr" rid="B58"><sup>58</sup></xref><sup>]</sup>

Fuente: elaboración propia.

La Tabla 10 presenta las propiedades y características de los bloques perforados, en donde se destaca la resistencia a la compresión a los 28 días del bloque perforado CHCV-F0 la cual fue de 10,2 MPa, valor que supera en un 27 % el límite inferior de resistencia (8 MPa) establecido por la norma NTC 4026 para ser clasificado como “bloque estructural de clase baja”, para el caso de los bloques CHCV-F1 y CHCV-F2, se obtuvieron resistencias a la compresión de 7,2 MPa y 6,2 MPa respectivamente, con lo que se clasifican como elementos no estructurales [58]. La caída de la RC de los bloques con adición de corcho concuerda a lo encontrado en la literatura donde se informa que a medida que se aumenta el contenido en volumen de corcho las propiedades mecánicas se reducen [13], [59]. Cómo se evidenció en los resultados obtenidos anteriormente, los concretos fabricados a partir del sistema de activación alcalina siguen aumentando considerablemente sus resistencias a compresión a mayores edades de curado (90 días), por esta razón se evaluaron los bloques a 90 días de curado. Considerando las RC de los bloques a los 90 días de curado, CHCV-F0 se clasifican como estructural clase alta superando la RC que establece la norma. Con respecto a los resultados obtenidos del bloque CHCV-F1 y CHCV-F2 se clasifican como estructural clase baja al obtener resultados de RC de 11,6 y 9,6 respectivamente, superando hasta en un 45 % lo exigido por la norma. De acuerdo con la norma NTC 4026, el máximo porcentaje de absorción de agua permitido para bloques de peso mediano (1680-2000 kg/m3) es del 15 %; condición que no cumple ninguno de los tres tipos de bloques, los cuales están alrededor del 17 % absorción de agua, lo cual podría estar relacionado al tipo de agregado utilizado para la fabricación de los bloques, el cual fue de naturaleza reciclado (RCD). Cabe anotar que la norma NTC 4024 establece que, estos límites de absorción de agua y resistencia a la compresión deben cumplirse dentro de los 12 meses posteriores a la producción de las unidades, lo cual se considera es posible dado el continuo incremento en las propiedades mecánicas y en la densificación del material. Los resultados obtenidos (28 y 90 días) permitieron validar el uso potencial que posee el CHCV en la fabricación de aplicaciones constructivas de tipo prefabricadas.

Propiedades obtenidas según las normas NTC 4026 <sup>[</sup><xref ref-type="bibr" rid="B15"><sup>15</sup></xref><sup>]</sup> y NTC 4076 <sup>[</sup><xref ref-type="bibr" rid="B58"><sup>58</sup></xref><sup>]</sup> para bloques a 28 días de curado

Fuente: elaboración propia.

 3.4 Evaluación del efecto de la incorporación de corcho sobre el comportamiento térmico en concretos

Los resultados del ensayo de propiedades térmicas en los concretos con 600 kg/m3 de cementante HCV-1 se presentan en la Tabla 11, para las mezclas con agregados naturales y reciclados (CHCV-F0N y CHCV-F0R respectivamente) y con la sustitución del corcho por agregado fino reciclado en 10 % y 20 % (CHCV-F1 y CHCV-F2 respectivamente). Adicionalmente, se calculó la capacidad calorífica volumétrica como el producto de la densidad de la muestra por su calor específico.

Propiedades térmicas de las muestras a 28 días de curado

Fuente: elaboración propia.

Se observa que los concretos F0N presentan la mayor conductividad y difusividad, esto puede deberse a que los agregados naturales no son tan porosos como los agregados reciclados y transmiten el calor con menor resistencia. Comparando con las muestras con agregados reciclados y con corcho, hay una reducción de la conductividad térmica con respecto a F0N del 5 %, 36 % y 33 % para los concretos F0R, F1 y F2, respectivamente. Los resultados de difusividad muestran una tendencia similar, donde los concretos que presentan los menores valores son los concretos F1 y F2. Al comparar F0R con F1 y F2 se genera una reducción de la conductividad térmica del 32 % y 29 % respectivamente. Acorde a estos resultados se corrobora que el contenido de corcho provoca una reducción de la conductividad térmica y que se relaciona con la reducción de la resistencia mecánica en las muestras, tal como se afirma en estudios previos [13], [59].

 4. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos en la presente investigación demuestran que es posible obtener un bloque de uso estructural a partir de un concreto geopolimérico híbrido activado con Na2SO4 al 4 % basado en cenizas volantes, al combinar 52,5 CV+17,5 HS+30 OPC y utilizar agregados reciclados, obtenidos a partir de Residuos de Construcción y Demolición (RCD).

Las resistencias de los concretos híbridos a edad temprana (7 días) está en el orden de 12 MPa a 15 MPa. Esta resistencia es satisfactoria si consideramos que es un material geopolimérico basado en un residuo industrial, ceniza volante con mínima cantidad de OPC y activado con sulfato de sodio, en el cual además se está utilizando agregado reciclado.

El uso de subproductos industriales, el activador sólido alternativo y el reducido consumo de OPC en la mezcla, así como su proceso y endurecimiento a temperatura ambiente hace suponer que este ecoproducto es un elemento de baja huella de carbono comparado a otros bloques estructurales producidos a partir de 100 % OPC con agregados naturales o bloques basados en arcilla cocida.

La introducción de corcho en la mezcla, aunque reduce la resistencia a compresión del bloque, beneficia positivamente las propiedades térmicas. Sin embargo, cabe anotar, que las resistencias de estos materiales activados alcalinamente continúan incrementando en el tiempo, es así como se pudo apreciar que la RC a edad de 90 días comparada a la reportada a 28 días permitió que el bloque con la adición de corcho pasara de ser clasificado como no-estructural a estructural al cumplir con los valores exigidos por las normas para su clasificación como bloques estructurales.

Basado en lo anterior, se recomienda el uso de un 10 % en volumen de corcho como reemplazo del agregado fino en la mezcla para obtener un bloque estructural con características de confort térmico.

 5. AGRADECIMIENTO Y FINANCIACIÓN

Los autores miembros del Grupo de Investigación Materiales Compuestos (CENM) agradecen a la Universidad del Valle (Cali) por el apoyo para la realización de este trabajo.

F. Martínez-Gutiérrez, W. G. Valencia-Saavedra, and R. Mejía-de-Gutiérrez, “Bloque de baja conductividad térmica a partir de un concreto geopolimérico híbrido basado en cenizas volantes y otros residuos industriales,” TecnoLógicas, vol. 27, no. 61, e3102, 2024. https://doi.org/10.22430/22565337.3102