Doctorado en Ingeniería · 2023
Efecto de los aditivos extraídos de la cascarilla de arroz sobre las propiedades mecánicas y la durabilidad de matrices cementicias
El subproducto principal de la industria arrocera, la cascarilla de arroz, se convierte en una valiosa materia prima mediante procesos químicos. De esta, se extraen microfibras de celulosa y compuestos basados en sílice. Estos componentes se utilizan en diversos fines, incluido el refuerzo de materiales a base de cemento, como el fibrocemento, un material liviano y resistente común en construcción ligera. En este estudio, se examinó el impacto de agregar diferentes porcentajes de micro y nanopartículas de sílice a las propiedades del fibrocemento. Las microfibras de celulosa se obtuvieron de la cascarilla de arroz mediante tratamientos alcalinos y de blanqueamiento. Además, se emplearon micro y nanopartículas de sílice obtenidas mediante procesos térmicos, químicos y de molienda mecánica de alta energía. Las mezclas de micro y nanopartículas de sílice, junto con microfibras de celulosa y otros componentes del fibrocemento, se dejaron curar durante 28 días y luego se caracterizaron físico-química y mecánicamente. Algunas muestras se sometieron a ciclos de envejecimiento acelerado simulando condiciones extremas. Los resultados indicaron que la adición del 5% tanto de micro como de nanopartículas de sílice mejoró significativamente las propiedades mecánicas del fibrocemento.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 18
- REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE Y REFERENTE TEÓRICOp. 23
- REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE Y ANTECEDENTESp. 23
- REFERENTE TEÓRICOp. 28
- 2.2.1 Cascarilla de arroz como fuente de sílicep. 29
- 2.2.2 Dióxido de silicio (sílice)p. 29
- 2.2.3 La molienda mecánica de alta energía para la obtención de nanomaterialesp. 30
- 2.2.4 Cemento Portlandp. 33
- 2.2.5 Fibrocementop. 34
- 2.2.6 Nanotecnología en el concreto y en el cementop. 37
- 2.2.7 Referentes y normasp. 39
- 2.2.8 Diseños de mezclas en fibrocementop. 40
- JUSTIFICACIÓNp. 44
- ÁREA PROBLEMÁTICA Y PREGUNTA DE INVESTIGACIÓNp. 53
- OBJETIVOSp. 55
- OBJETIVO GENERALp. 55
- OBJETIVOS ESPECÍFICOSp. 55
- OBTENCIÓN DE MICROFIBRAS DE CELULOSAp. 56
- 6.1.1 Tratamiento Alcalino con hidróxido de sodiop. 57
- 6.1.2 Proceso de blanqueamiento con hipoclorito de sodiop. 58
- LA CASCARILLA DE ARROZp. 57
- 6.2.1 Incineración de la cascarilla de arrozp. 60
- 6.2.2 Eliminación de impurezas inorgánicasp. 61
- 6.2.3 Preparación de las partículas de sílicep. 62
- MICRO Y NANOPARTÍCULAS DE SÍLICEp. 65
- 6.3.1 Materialesp. 66
- 6.3.2 Elaboración de las muestras de fibrocementop. 66
- 6.3.3 Preparación de muestras de fibrocemento para el ensayo de compresiónp. 70
- 6.3.4 Preparación de placas de fibrocemento para el ensayo de flexiónp. 71
- 6.3.5 Preparación de placas para los ensayos de envejecimiento aceleradop. 71
- DISEÑO DE EXPERIMENTOS Y DISEÑO DE MEZCLASp. 72
- 6.4.1 Definición del diseño de experimentosp. 72
- 6.4.2 Ley de Mezclasp. 74
- 6.4.3 Experimentos con mezclasp. 75
- LOS MATERIALESp. 80
- ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO (TGA)p. 80
- ESPECTROSCOPIA ULTRAVIOLETA VISIBLE (UV-VIS)p. 81
- BARRIDO (SEM)p. 81
- ANÁLISIS ESTRUCTURAL POR DIFRACCIÓN DE RAYOS X (XRD)p. 82
- EN EL INFRARROJO (FTIR)p. 83
- PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS MATRICES CEMENTICIASp. 84
- 7.6.1 Módulo de rotura y módulo de elasticidad del fibrocementop. 85
- 7.6.2 Resistencia a la compresión del fibrocementop. 87
- 7.7.1 Determinación de la densidadp. 89
- 7.7.2 Determinación de la absorción de aguap. 90
- MEDIANTE CICLOS DE CALOR/LLUVIA Y CO2p. 91
- USADOS COMO REFUERZO EN MATRICES CEMENTICIASp. 96
- MICROFIBRAS DE CELULOSAp. 96
- la cascarilla de arrozp. 57
- de blanqueamientop. 98
- 8.1.3 Espectroscopía ultravioleta visible (UV-VIS)p. 108
- 8.1.4 Morfología de la cascarilla de arroz por SEMp. 110
- (TGA)p. 117
- 8.1.6 Análisis estructural por difracción de Rayos-Xp. 121
- 8.1.7 Análisis vibracional por FTIRp. 123
- DE SÍLICEp. 126
- 8.2.1 Composición química elemental por Fluorescencia de Rayos-X (XRF)p. 126
- 8.2.2 Morfología de las partículas de sílicep. 127
- de la luz (DLS)p. 129
- por Transformada de Fourier en el Infrarrojo (FTIR)p. 130
- FIBROCEMENTO REFORZADOp. 133
- 9.1.1 Análisis estructural del fibrocemento por XRDp. 133
- 9.1.2 Análisis morfológico del fibrocemento por SEMp. 138
- 9.1.3 Modos vibracionales del fibrocemento por FTIRp. 143
- 9.1.4 Propiedades térmicas del fibrocemento por TGAp. 145
- LAS MATRICES CEMENTICIASp. 157
- PROPIEDADES MECÁNICAS Y FISICOQUÍMICASp. 169
- 9.5.1 Análisis morfológico del fibrocemento envejecidop. 169
- 9.5.2 Análisis vibracional por FTIR del fibrocemento envejecidop. 177
- 9.5.3 Análisis estructural del fibrocemento envejecidop. 183
- 9.5.4 Análisis de las propiedades térmicas del fibrocemento envejecidop. 185
- función de los ciclos de envejecimientop. 189
- 10 ANÁLISIS DE COSTOSp. 195
- 11 ANÁLISIS DEL CICLO DE VIDA DEL PRODUCTOp. 197
- 12 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESp. 202
- CONCLUSIONESp. 202
- TRABAJOS FUTUROSp. 204
- 13 BIBLIOGRAFÍAp. 206
- Figura 2-1: Cascarilla de arroz y sus principales componentes. Tomado de [73]p. 29
- fabricación de nanomateriales. Fuente propiap. 32
- Figura 3-1: Propuesta de economía circular Agroamb (2018)p. 49
- proceso de blanqueamientop. 59
- partir de la cascarilla de arrozp. 60
- Figura 6-3: a) cascarilla de arroz cruda, b) cascarilla de arroz molidap. 62
- agitación magnética, c) lavado y filtrado de la soluciónp. 62
- Figura 6-5: Molino planetario de alta energía usado para la obtención de NPs de sílicep. 64
- sílice a partir de la cascarilla de arrozp. 63
- sonicación Bransonp. 65
- sílice, f) nanopartículas de sílice, g) bentonita. Fuente propiap. 66
- fibras y la sílice, c) pasta de cementop. 69
- de [144]p. 70
- moldes, c) probetas después de 28 días de curadop. 71
- Figura 6-12: a) Molde para briqueta de flexión b) Briquetas con 28 días de curadop. 72
- experimentos. Tomado de [146]p. 73
- Tomado de [147]p. 76
- Figura 6-15: a) Región experimental para p=2p. 78
- (b) deflexión de la briqueta durante el ensayo de flexiónp. 86
- muestra, c) Fractura de la probetap. 88
- Figura 7-3: Gráfica esfuerzo vs deformación obtenida del ensayo de compresiónp. 89
- interior, c) sensor de nivel de agua. Fuente propiap. 92
- estudiar, c) descripción del sistema de control del equipop. 93
- Tiempo de reacciónp. 100
- Temperaturap. 58
- Temperatura y C: Tiempop. 105
- Sodio y f) Tiempo - Temperatura. En valores codificadosp. 106
- c) tiempo temperaturap. 108
- propiap. 108
- absorbancia medidad por UV-VISp. 109
- Primer Lavado y d) Segundo Lavadop. 111
- hidrolizada y c) microfibras de celulosap. 113
- probabilidad LogNormal. Fuente propiap. 113
- Experimento 8p. 115
- celulosa blanqueada del experimento 4p. 116
- hidrolizada y c) microfibras de celulosap. 113
- hidrolizada (Rice husk-H) y blanqueada (Cellulose). Fuente propiap. 122
- cascarilla hidrolizada y las microfibras de celulosap. 125
- en sílicep. 127
- Figura 8-18: a) Micrografía TEM de las NPs, b) Distribución de tamaño de las NPsp. 126
- Figura 8-19: Distribución de tamaño de las NPs de sílicep. 127
- Figura 8-20: Espectros IR, a) micropartículas de sílice, b) nanopartículas de sílicep. 129
- Ferrita, P: Portlandita, Q: Cuarzo y T: Tobermoritap. 134
- de los picos, a) Belita en 2θ = 32,32º, b) Porlandita en 2θ = 51,77ºp. 135
- en 2θ = 56,27º d) alita en 2θ = 41,00ºp. 136
- belita en 2θ=32,30°y portlandita en 2θ=34,05° y b) alita 2θ=41,34°p. 138
- b) micrografía a 4000X, c) micrografía a 20000Xp. 137
- sobre toda el área mostrada en la micrografíap. 140
- Portlandita, G: Gel de tobermoritap. 141
- 5), a) muestra a 10000X, b) muestra a 20000Xp. 142
- sobre toda el área mostrada en la micrografíap. 140
- Figura 9-10: Espectros FTIR de las muestras de fibrocemento MC, MS-5 y NS-5p. 141
- Muestra con 5% de nanosílicep. 146
- nanosílicep. 156
- fibrocementop. 34
- Tomado de [129]p. 161
- cemento adicionado con sílice. Adaptado de [207]p. 161
- porcentajes de sílicep. 167
- envejecimiento, d) Muestra con 5% de NPs de sílice con envejecimiento a 40 ciclosp. 171
- envejecimiento, d) Muestra con 5% de NPs de sílice con envejecimiento a 40 ciclosp. 171
- la matriz cementicia. Adaptado de [211]p. 174
- de fibras. Adaptado de [213]. Donde FC: Fibrocementop. 175
- NS-5. Donde A: Alita, C-S-H: Gel de tobermoritap. 177