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DISEÑO DE PROTOTIPOS DE VITRO-CERÁMICOS, A PARTIR DE LA
REUTILIZACIÓN DE ESCORIA, CENIZAS VOLANTES DE CARBÓN Y CASCO
DE VIDRIO, GENERADAS EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES DEL
DEPARTAMENTO DE BOYACÁ.

DIANA MIREYA AYALA VALDERRAMA

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DOCTORADO EN INGENIERÍA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES
TUNJA
2019

DISEÑO DE PROTOTIPOS DE VITRO-CERÁMICOS, A PARTIR DE LA
REUTILIZACIÓN DE ESCORIA, CENIZAS VOLANTES DE CARBÓN Y CASCO
DE VIDRIO, GENERADAS EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES DEL
DEPARTAMENTO DE BOYACÁ.

DIANA MIREYA AYALA VALDERRAMA

Trabajo de grado para optar al título de:
Doctora en Ingeniería y Ciencia de los Materiales

Director
JAIRO ALBERTO GÓMEZ CUASPUD., Ph. D.
Universidad Pedagógica y Tecnología de Colombia

Codirector
Prof. Dr.-Ing. habil. ALDO R. BOCCACCINI
University of Erlangen-Nuremberg - Alemania

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DOCTORADO EN INGENIERÍA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES
TUNJA
2019

Nota de aceptación
___________________________________________
___________________________________________
___________________________________________

__________________________________________
Director del trabajo de grado
JAIRO ALBERTO GÓMEZ CUASPUD., PhD.
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia

__________________________________________
Codirector del trabajo de grado
Prof. Dr.-Ing. habil. ALDO R. BOCCACCINI
University of Erlangen-Nuremberg - Alemania

___________________________________________
Firma del jurado

Tunja- Colombia, 18 de noviembre de 2019

“Al ángel de mi guarda”

VII

Agradecimientos

En primer lugar, a Dios y a mi familia por el apoyo incondicional en cada uno de los
momentos vividos durante esta experiencia, en especial a mis dos hijas Danna
Valentina y Mariana, quien fueron, son y serán el motor de mi vida, que siempre me
han animado y apoyado en cada una de mis decisiones, un agradecimiento especial
a Jerson quien siempre ha tenido la palabra adecuada para darme los ánimos de
continuar con este reto de mi vida. A mis padres, hermanos, cuñadas, suegros
gracias por su amor y apoyo incondicional.

Gracias al doctor Jairo Alberto Gómez, con su apoyo y enseñanza como director y
supervisor de mi tesis, quien me enseñó a ser un poco paciente y a ser mejor
profesionalmente; al Doctor -Profesor Aldo Boccaccini, codirector de mi tesis y
director del Instituto de Biomateriales, quien me dio la oportunidad de hacer mi
investigación doctoral en su Instituto en Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-
Nürnberg Alemania, gracias por todo el apoyo científico, gracias por las miles de
risas y regaños vividos por parte de ustedes dos.

Gracias a los miembros del grupo física de materiales de la UPTC por su apoyo y
acogida en su grupo de investigación, a Misael Ruiz y Juan Manuel Roncancio
quienes fueron mi apoyo incondicional en la producción de mis muestras, qué sin
importar los días y las horas, siempre estuvieron atentos para ayudarme, mil y mil
gracias.

También me gustaría agradecer a todos los estudiantes de doctorado y pos-
doctorado del Institute of Biomaterials (WW7) FAU Erlangen, Germany en especial
a Nicoletta, Valentina, Barbara, Marcela, Laura, Lena, Alina, Judith, Heinz, y Miguel
por animarme y ayudarme en mis análisis de muestras durante mi estadía en ese
VIII

país, gracias por el tiempo que pasamos en la oficina y/o laboratorio y, por supuesto,
por el café, las cervezas y todos los descansos juntos.

Gracias a Jerson, Heinz y Edward, siempre disponibles para resolver mis problemas
con los sistemas y equipos de laboratorio. Gracias a mis amigos especiales: en Tunja
a Bibiana Pulido, Alexandra Mejía, Leonel Paredes, Carlos Palacio, por el apoyo y por
animarme a dar el paso de iniciar mi doctorado. En Erlangen a: Nicoletta, Valentina,
Miguel, Barbara, Paula, Rocio, Miguel, Juana, gracias por todas las aventuras, las
cervezas y recuerden que somos los mejores para la fiesta.

Tabla de contenido

Pág.
Resumen 24
1 INTRODUCCIÓN 29
1.1 MOTIVACIÓN: PROBLEMAS AMBIENTALES
RELACIONADOS CON LA DISPOSICIÓN FINAL DE
RESIDUOS INDUSTRIALES DE ESCORIA, CENIZA VOLANTE
DE CARBÓN Y CASCO DE VIDRIO.
29
1.2 OBJETIVOS Y METAS 31
1.3 ANTECEDENTES Y MARCO TEÓRICO 32
1.3.1 Fase vítrea 39
1.3.2 Estructura del vidrio 39
1.3.3 Proceso de producción y formación del vidrio 41
1.3.4 Tipos de vidrios 43
1.4 LOS MATERIALES VITRO-CERÁMICOS 44
1.4.1 Microestructura y propiedades de los vitro-cerámicos 46
1.5 TEORÍA GENERAL DE TRANSFORMACIÓN DE FASES 47
1.6 NUCLEACIÓN HOMOGÉNEA Y HETEROGÉNEA 48
1.7 PROCESO DE SINTERIZACIÓN 48
1.7.1 Factores que influyen en los procesos de sinterización 51
1.7.2 Teoría de sinterización Frenkel 53
1.7.3 Teoría de sinterización Scherer 53
1.7.4 Teoría de Mckenzie y Shuttleworth 54
1.7.5 El modelo de clusters 54
1.8 FASES CRISTALINAS 55
1.8.1 Cuarzo (SiO2) 55
1.8.2 Mullita (SiO2- Al2O3) 55
1.8.3 Diopsita en vitro-cerámicos (CaMgSi2O6) 56
1.8.4 Gehlenita en vitro-cerámicos (Ca2Al2SiO7) 56
X

1.8.5 Anortita en vitro-ceramicos (CaAl2Si2O8) 56
1.8.6 Augita en vitro-cerámicos (Ca, Mg, Fe)2 (Si,Al)2O6 57
1.8.7 Enstatita en vitro-cerámicos (MgSiO3) 57
1.8.8 Wollastonita en vitro-cerámicos (CaSiO3) 57
1.8.9 Merwinita Ca3Mg(SiO2)4 58
1.8.10 Cordierita 58
2 FUNDAMENTOS, CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA DE
LOS RESIDUOS INDUSTRIALES Y MONTAJE EXPERIMENTAL
PARA LA PRODUCCIÓN DE MATERIAL VITRO-CERÁMICO.
59
2.1 INTRODUCCIÓN 59
2.2 RESIDUOS INDUSTRIALES USADOS EN LA PRODUCCIÓN
DE MATERIAL VITRO-CERÁMICO
60
2.2.1 Ceniza volante de carbón 60
2.2.2 Escoria 61
2.2.3 Casco de vidrio 62
2.3 CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS 63
2.3.1 Análisis por microscopia electrónica de barrido (SEM)
de las cenizas volantes de carbón
64
2.3.2 Análisis por microscopia electrónica de barrido (SEM)
de la escoria
66
2.3.3 Análisis por microscopia electrónica de barrido (SEM)
del casco de vidrio
66
2.3.4 Análisis por fluorescencia de rayos X (FRX) de las
cenizas volantes de carbón
67
2.3.5 Análisis por fluorescencia de rayos X (FRX) de las
escorias de arco eléctrico
69
2.3.6 Análisis por fluorescencia de rayos X (FRX) del casco
de vidrio
69
XI

2.4 SELECCIÓN DE LA MATERIA PRIMA PARA LA PRODUCCIÓN
DE MATERIAL VITRO-CERÁMICO Y SU CARACTERIZACIÓN 70
2.4.1 Procedimiento de eliminación de inquemados en las
cenizas volantes
71
2.4.2 Proceso de micro-particulado de los tres materiales
seleccionados
72
2.4.3 Análisis microscopia electrónica de barrido (SEM) de
la ceniza volante seleccionada
74
2.4.4 Análisis microscopia electrónica de barrido (SEM) de
la escoria (ES2) y casco de vidrio seleccionada
76
2.4.5 Análisis por difracción de rayos X (DRX) de la ceniza
volante de carbón
78
2.4.6 Análisis por difracción de rayos X (DRX) de la escoria
2 (ESC2)
79
2.4.7 Cálculo del porcentaje molar 80
2.5 PREPARACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE MEZCLAS 82
2.5.1 Diseño y microestructura de mezclas 82
2.5.2 Análisis por difracción de rayos X (DRX) 85
2.5.3 Composición de las mezclas 892.6 MONTAJE EXPERIMENTAL Y DESCRIPCIÓN DE LAS
TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN
91
2.6.1 Especificaciones del horno para la producción de
muestras
92
2.6.2 Elementos químicos de laboratorio 92
2.6.3 Técnicas de análisis 95
3 RESULTADOS PRODUCCIÓN Y ANÁLISIS FÍSICO-QUÍMICO Y
MECÁNICO DE PROTOTIPOS DE VITRO-CERÁMICOS
CONFORMADOS POR SINTERIZACIÓN DE POLVOS VÍTREOS
101
3.1 INTRODUCCIÓN 101
XII

3.2 MÉTODOS DE ENSAYO Y ANÁLISIS 103
3.3 PROCEDIMIENTO CONFORMADOS POR SINTERIZACIÓN
DE POLVOS VÍTREOS
105
3.3.1 Obtención de material amorfo (polvo vítreo) 107
3.3.2 Proceso de nucleación y cristalización de los
materiales
109
3.4 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES OBTENIDOS
(PROTOTIPOS 1, 2 Y 3)
110
3.4.1 Análisis por difracción de rayos X (DRX) 111
3.4.2 Cuantificación de la fase no cristalina basado en DRX 116
3.4.3 Microestructura 116
3.4.4 Espectroscopia Raman 121
3.4.5 Densidad y porosidad 125
3.4.6 Resistencia química 127
3.4.7 Resistencia mecánica – análisis de compresión 127
4 PRODUCCIÓN Y ANÁLISIS FÍSICO-QUÍMICO Y MECÁNICO DE
PROTOTIPOS DE VITRO-CERÁMICOS CONFORMADOS POR
SINTERIZACIÓN DE MUESTRAS DE POLVO COMPACTADAS
EN FRÍO
131
4.1 INTRODUCCIÓN 131
4.2 MATERIALES Y MÉTODOS 133
4.2.1 Método para la preparación de material vitro-
cerámicos obtenidos por sinterización de muestras en
polvo compactados en frío.
133
4.2.2 Métodos de ensayos y análisis 135
4.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 137
4.3.1 Microestructura 137
4.3.2 Resistencia química 142
4.3.3 Densidad y porosidad 143
XIII

4.3.4 Análisis de Difracción de rayos X (DRX) 145
4.3.5 Propiedades mecánicas – análisis de compresión 152
5 COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL VITRO-CERÁMICO EN
PRUEBAS DE CHOQUE TÉRMICO Y AL DESGASTE
154
5.1 INTRODUCCIÓN 154
5.2 MÉTODO DE ANÁLISIS POR CHOQUE TÉRMICO 155
5.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 156

5.3.1
Evaluación de las diferentes microestructuras de
fracturas de los materiales obtenidos por los dos
métodos de sinterización
159
6 CONCLUSIONES GENERALES, RESUMEN DE LOS
PRINCIPALES LOGROS Y SUGERENCIAS FUTURAS
166
6.1 CONCLUSIONES 166
6.2 DIRECCIÓN FUTURAS 169
REFERENCIAS 171

XIV

LISTADO DE TABLAS
Pág.
Tabla 1.1 Algunos tipos de vidrio [43] 43
Tabla 2.1 Cálculo del porcentaje molar de la ceniza volante H 81
Tabla 2.2 Cálculo del porcentaje molar de la escoria 2 (ESC2) 81
Tabla 2.3 Cálculo del porcentaje molar del casco de vidrio 82
Tabla 2.4 Diseño de mezclas 83
Tabla 2.5
Datos de refinamiento Rietveld para los diseños de mezclas X1, X2
y X3 con su correspondiente posición atómica, parámetros
cristalinos y porcentaje de composición de cada fase
87
Tabla 2.6
Elementos que actúan como vitrificante, fundentes, estabilizantes
y modificadores de red [43]
91
Tabla 2.7
Ficha técnica del horno usado en la producción de material vitro-
cerámico
92
Tabla 3.1
Cuantificación de fases cristalinas, formula química, parámetros de
red de los prototipos 1, 2 y 3
114
Tabla 3.2 Tamaño del cristalito de los tres prototipos vitro-cerámicos. 115
Tabla 3.3
Frecuencias del Raman (cm-1) de los cristales para los prototipos
1. 2. 3
122
Tabla 3.4
Cálculos de densidad y porosidad de los tres prototipos vitro-
cerámicos
126
Tabla 4.1
Resultado de la pérdida de peso de los materiales por ataque
químico con una solución de HCl al 5% (V/V) durante 24 horas
144
Tabla 4.2
Cálculos de absorción el agua, porosidad abierta y porosidad
aparente de las muestras obtenidas por sinterización de muestras
en polvo compactadas en frío.
145
Tabla 4.3
Fases cristalinas identificadas en los materiales vitro-cerámicos,
obtenidos por sinterización de muestras de polvo compactadas en
frío
147
XV

Tabla 4.4
Datos de resistencia mecánica a los materiales obtenidos por
sinterización de muestras de polvo compactadas en frío
153
Tabla 5.1 Muestras seleccionadas para choque térmico 156
Tabla 5.2
Resultados de la resistencia a la compresión de los Prototipos 1,2,3
y Materiales X1, X2, X3 sinterizadas a 1000-1050°C/2h
157

XVI

LISTA DE FIGURAS
Pág.
Fig. 1.1
Clasificación de las Cenizas según la American Society for
Testing Materials [17]
35
Fig. 1.2 Conformación estructural del vidrio [1] 40
Fig. 1.3
Procesos y materiales que intervienen en la fabricación del
vidrio [37]
42
Fig. 1.4
Curvas térmicas de obtención de vitro-cerámicos usando
catalizador [41]
46
Fig. 1.5 Tipos de materiales vitro-cerámicos. Adaptado [41] 46
Fig. 1.6
Microestructura de vidrio a vitro-cerámico, a. formación de
núcleos, b. crecimiento del cristal alrededor del núcleo, y c.
microestructura vitro-cerámico [47]
47
Fig. 1.7
Diagrama del proceso de cristalización de un vidrio para formar
material vitro-cerámico a) representa el comportamiento de la
temperatura en función de las tasas de nucleación y
crecimiento y (b) la Temperatura en función del tiempo
indicando el tratamiento térmico de dos etapas, nucleación y
cristalización [9]
50
Fig. 2.1
Residuos industriales sin tratamiento previo a. Escoria, b.
Ceniza Volante, c. Casco de vidrio
63
Fig. 2.2
Imágenes obtenidas por microscopia electrónica de barrido
(SEM), a. ceniza volante de carbón A, b. ceniza volante de
carbón B, c. ceniza volante de carbón C, d. ceniza volante D
65
Fig. 2.3
Imágenes obtenidas por microscopia electrónica de barrido
SEM, a. ceniza volante de carbón E, b. ceniza volante de carbón
F, c. ceniza volante de carbón G, d. ceniza volante de carbón H
65
XVII

Fig. 2.4
Imágenes obtenidas por microscopia electrónica de barrido
(SEM) para: a. escoria 1 (ESC1), b. escoria 2 (ESC2)
66
Fig. 2.5
Imagen obtenida por microscopia electrónica de barrido (SEM)
para el casco de vidrio
67
Fig. 2.6
Patrones de fluorescenia de rayos X y porcentaje de
composición elemental, a. Ceniza volante A, b. Ceniza volante
B, c. Ceniza volante C, d. Ceniza volante D, e. Ceniza volante
E, f. Ceniza volante F, g. Ceniza volante G, h. Ceniza volante H
68
Fig. 2.7
Patrones de fluorescencia de rayos X con porcentaje de
composición elemental para: a. Escoria 1 (ESC1), b. Escoria 2
(ESC2)
69
Fig. 2.8 Patrón de fluorescencia de rayos X para el casco de vidrio 70
Fig. 2.9
Histograma de distribución porcentual del tamaño de partícula
para las muestras de cenizas volantes, escorias y cascos de
vidrio
73
Fig. 2.10
Imágenes obtenidas por análisis microelemental SEM-EDS de
las cenizas volantes después del proceso de remoción de
inquemados
75
Fig. 2.11
Imágenes obtenidas por análisis microelemental SEM-EDS de
la escoria 2 (ESC2)
77
Fig. 2.12
Imágenes obtenidas por análisis microelemental SEM-EDS del
casco de vidrio
77
Fig. 2.13 Patrón de difracción de rayos X (DRX) de la ceniza volante H 78
Fig. 2.14 Patrón de difracción de rayos X (DRX) de escoria 2 (ESC2) 79
Fig. 2.15
Imágenes obtenidas por microscopía electrónica de barrido
(SEM) mezcla X1
83
Fig. 2.16
Imágenes obtenidas por microscopía electrónica de barrido
(SEM) mezcla X2
84
XVIII

Fig. 2.17
Imágenes obtenidas por microscopía electrónica de barrido
(SEM) mezcla X3
84
Fig. 2.18
Patrones de difracción de rayos X (DRX), a. Mezclas X1, b.
Mezcla X2 y c. Mezcla X3, cada una con el correspondiente
refinamiento Rietveld
86
Fig. 2.19 Composición química en moles de los tres diseños de mezclas 90
Fig. 3.1
Esquema para la producción de material vitro-cerámico
obtenidos por sinterización de polvos vítreos
106
Fig. 3.2
Patrones de difracción de rayos X de la Mezcla X1 tratadas a
altas temperaturas para obtención de material amorfo, a.
1200°C, b. 1300°C, c. 1400°C
108
Fig. 3.3
Patrones de difracción derayos X de la Mezcla X2 tratadas a
altas temperaturas para obtención de material amorfo, a.
1200°C, b. 1300°C, c. 1400°C
108
Fig. 3.4
Difracción de rayos X de la Mezcla X3 tratadas a altas
temperaturas para obtención de material amorfo, a. 1200°C, b.
1300°C, c. 1400°C
109
Fig. 3.5 Análisis térmico diferencial (DTA) de los materiales 1, 2 y 3 110
Fig. 3.6
Patrón de Difracción de Rayos X del prototipo 1 obtenido a
1300°C/2h con proceso de recocido a T1: 950°C/2h y T2:
1100°C/2h
112
Fig. 3.7
Patrón de Difracción de Rayos X del prototipo 2 obtenido a
1300°C/2h con proceso de recocido a T1: 800°C por 2h y T2:
1050°C por 2ª
113
Fig. 3.8
Patrón de Difracción de Rayos X del prototipo 3 obtenido a
1300°C/2h con proceso de recocido T1: 850°C por 2h y T2:
1100°C por 2º
113
Fig. 3.9
Imagen de microscopía electrónica de barrido Mezcla 1, a.
Previo a tratamiento térmico (Mezcla 1), b. Con proceso de
118
XIX

fundición y molturación, c. Con proceso de recocido para la
formación de fases cristalinas (Prototipo 1)
Fig. 3.10
Imagen de microscopía electrónica de barrido Mezcla 2, a.
Previo a tratamiento térmico (Mezcla 2), b. Con proceso de
fundición y molturación, c. Con proceso de recocido para la
formación de fases cristalinas (Prototipo 2)
118
Fig. 3.11
Imagen de microscopía electrónica de barrido Mezcla 3, a.
Previo a tratamiento térmico (Mezcla 3), b. Con proceso de
fundición y molturación, c. Con proceso de recocido para la
formación de fases cristalinas (Prototipo 3)
118
Fig. 3.12
Mapa elemental por espectrometría de dispersión de energía
de rayos X (EDS) del Prototipo 1
119
Fig. 3.13
Mapa elemental por espectrometría de dispersión de energía
de rayos X (EDS) del Prototipo 2
120
Fig. 3.14
Mapa elemental por espectrometría de dispersión de energía
de rayos X (EDS) del Prototipo 3
120
Fig. 3.15
Espectro Raman de los prototipos vitro-cerámicos, a.
Prototipo1, b. Prototipo 2 y c. Prototipo 3
124
Fig. 4.1
Esquema general de la producción de material vitro-cerámicos
por el método de sinterización de muestras de polvo
compactadas en frío, a. Material X1, b. Material X2, c. Material
X3
135
Fig. 4.2
Microscopia electrónica de barrido del Material X1 tratada, a.
950°C/2h, b. 950°C/5h, c. 1000°C/2h, d. 1000°C/5h, e.
1050°C/2h, f. 1050°C/5h
138
Fig. 4.3
Microscopia electrónica de barrido material X2 tratada, a.
950°C/2h, b. 950°C/5h, c. 1000°C/2h, d. 1000°C/5h, e.
1050°C/2h, f. 1050°C/5h
139
XX

Fig. 4.4
Microscopia electrónica de barrido material X3 tratada, a.
950°C/2h, b. 950°C/5h, c. 1000°C/2h, d. 1000°C/5h, e.
1050°C/2h, f. 1050°C/5h
141
Fig. 4.5
Difracción de rayos X, para la muestra X1 tratadas
térmicamente a: a. X1-1050-2h, b. X1-1000-2h, y c. X1-950-2h
148
Fig. 4.6
Difracción de rayos X, para la muestra X2 tratadas
térmicamente a: a. X2-1050-2h, b. X2-1000-2h, c. X2-950-2h
150
Fig. 4.7
Difracción de rayos X, para la muestra X3 tratadas
térmicamente a: a. X3-1050-2h, b. X3-1000-2h, c. X3-950-2h
151
Fig. 5.1
Imágenes microscopía electrónica de barrido del Prototipo 1,
material fundido a 1300°C/2h y con temperatura de nucleación
a 950°C/2h – temperatura de cristalización a 1100°C/2h,
fractura por análisis de compresión: a. sin choque térmico, b.
con choque térmico a 200°C, c. con choque térmico a 500°C,
d. con choque térmico a 800°C/10min (10 µm)
160
Fig. 5.2
Imágenes microscopía electrónica de barrido del Prototipo 2,
material fundido a 1300°C/2h y con temperatura de nucleación
a 800°C/2h – temperatura de cristalización a 1050°C/2h,
fractura por análisis de compresión: a. sin choque térmico, b.
con choque térmico a 200°C, c. con choque térmico a 500°C,
d. con choque térmico a 800°C/10min 10 µm)
160
Fig. 5.3
Imágenes microscopía electrónica de barrido del Prototipo 3,
material fundido a 1300°C/2h y con temperatura de nucleación
a 850°C/2h – temperatura de cristalización a 1100°C/2h,
fractura por análisis de compresión: a. sin choque térmico, b.
con choque térmico a 200°C, c. con choque térmico a 500°C,
d. con choque térmico a 800°C/10min (10 µm).
161
Fig. 5.4
Material X1 – Imágenes por microscopía electrónica de barrido
para el material X1-1000°C/2h, fractura por análisis de
162
XXI

compresión: a. sin choque térmico, b. con choque térmico a
200°C, c. con choque térmico a 500°C, d. con choque térmico
a 800°C/10min.
Fig. 5.5
Material X1 – Imágenes por microscopía electrónica de barrido
del material X1-1050°C/2h, fractura por análisis de
compresión: a. sin choque térmico, b. con choque térmico a
200°C, c. con choque térmico a 500°C, d. con choque térmico
a 800°C/10min.
162
Fig. 5.6
Material X2 – Imágenes de microscopía electrónica de barrido
del material X2-1000°C/2h, fractura por análisis de
compresión: a. sin choque térmico, b. con choque térmico a
200°C, c. con choque térmico a 500°C, d. con choque térmico
a 800°C/10min.
163
Fig. 5.7
Material X2 – Imágenes de microscopía electrónica de barrido
del material X2-1050°C/2h, fractura por análisis de
compresión: a. sin choque térmico, b. con choque térmico a
200°C, c. con choque térmico a 500°C, d. con choque térmico
a 800°C/10min.
163
Fig. 5.8
Material X3 – Imágenes de microscopía electrónica de barrido
del material X3-1000°C/2h, a. Fractura por análisis de
compresión sin choque térmico, b. Fractura por análisis de
compresión con choque térmico a 200°C, c. Fractura por
análisis de compresión con choque térmico a 500°C, d. Fractura
por análisis de compresión con choque térmico a 800°C/10min.
164
Fig. 5.9
Material X3 – Imágenes de microscopía electrónica de barrido
del material X3-1050°C/2h, fractura por análisis de
compresión: a. sin choque térmico, b. con choque térmico a
200°C, c. con choque térmico a 500°C, d. con choque térmico
a 800°C/10min.
164

XXII

Lista de siglas

Material X1: Representa la mezcla 1 que contiene 10% de escoria, 70% ceniza
volante y 20% casco de vidrio sin ningún tratamiento térmico.
Material X2: Representa la mezcla 2 que contiene 10% de escoria, 35% ceniza
volante y 55% casco de vidrio sin ningún tratamiento térmico.
Material X3: Representa la mezcla 3 que contiene 55% de escoria, 35% ceniza
volante y 10% casco de vidrio sin ningún tratamiento térmico.
Prototipo 1: Representa el material X1 con dos tratamientos térmicos a 1300°C/2h
con proceso de recocido a T1: 950°C/2h y T2: 1100°C/2h.
Prototipo 2: Representa el material X2 con dos tratamientos térmicos a 1300°C/2h
con proceso de recocido a T1: 800°C por 2h y T2: 1050°C por 2h.
Prototipo 3: Representa el material X3 con dos tratamientos térmicos a 1300°C/2h
con proceso de recocido T1: 850°C por 2h y T2: 1100°C por 2h.
X1-950-2h: Representa el material X1 con un solo tratamiento térmico a los 950°C
por 2 horas
X1-1000-2h: Representa el material X1 con un solo tratamiento térmico a los 1000°C
por 2 horas
X1-1050-2h: Representa el material X1 con un solo tratamiento térmico a los 1050°C
por 2 horas
X2-950-2h: Representa el material X2 con un solo tratamiento térmico a los 950°C
por 2 horas
X2-1000-2h: Representa el material X2 con un solo tratamiento térmico a los 1000°C
por 2 horas
|X2-1050-2h: Representa el material X2 con un solo tratamiento térmico a los 1050°C
por 2 horas
X3-950-2h: Representa el material X3 con un solo tratamiento térmico a los 950°C
por 2 horas
XXIII

X3-1000-2h: Representa el material X3 con un solo tratamiento térmico a los 1000°C
por 2 horas
X3-1050-2h: Representa el material X3 con un solo tratamiento térmico a los 1050°C
por 2 horas
X1-950-5h: Representa el material X1 con un solo tratamiento térmico a los 950°C
por 5 horas
X1-1000-5h: Representa el material X1 con un solo tratamiento térmico a los 1000°C
por 5 horas
X1-1050-5h: Representa el material X1 con un solotratamiento térmico a los 1050°C
por 5 horas
X2-950-5h: Representa el material X2 con un solo tratamiento térmico a los 950°C
por 5 horas
X2-1000-5h: Representa el material X2 con un solo tratamiento térmico a los 1000°C
por 5 horas
X2-1050-5h: Representa el material X2 con un solo tratamiento térmico a los 1050°C
por 5 horas
X3-950-5h: Representa el material X3 con un solo tratamiento térmico a los 950°C
por 5 horas
X3-1000-5h: Representa el material X3 con un solo tratamiento térmico a los 1000°C
por 5 horas
X3-1050-5h: Representa el material X3 con un solo tratamiento térmico a los 1050°C
por 5 horas
24

Resumen

Los avances en el campo de la ciencia de los materiales están contribuyendo a
proporcionar soluciones para el reciclaje de residuos industriales para desarrollar
nuevos materiales. Tales enfoques generan nuevos productos y proporcionan
alternativas óptimas para la disposición final de diferentes tipos de desechos
industriales. Motivo por el cual esta investigación se ha centrado en identificar y
caracterizar escoria, cenizas volantes de carbón y casco de vidrio de la región de
Boyacá en Colombia, como materia prima para producir materiales vitro-cerámicos
con el aspecto innovador del uso de estos tres residuos sin la adición de agentes
nucleantes para producir el vitrocerámica.

En el caso concreto de la región de Boyacá en Colombia, las termoeléctricas, las
acerías productoras de acero y las empresas productoras-comercializadoras de
vidrio, son las responsables de la generación de residuos industriales de ceniza
volante, escoria y casco de vidrio respectivamente, generando al menos unas
800000 toneladas de ceniza volante que son desechadas anualmente por las
termoeléctricas de Colombia, de las cuales 50000 corresponden a la región de
Boyacá [2]. Las cenizas volantes son residuos generados por la combustión de
carbón pulverizado en centrales termoeléctricas [3], sus porcentajes de composición
elemental varía según el tipo de carbón, el grado de pulverización y el tipo de
colectores empleados, aun cuando estas cenizas se obtienen de una misma fuente
de producción [4]. Los estudios de caracterización de estos materiales han
establecido que las cenizas volantes generadas en las industrias Boyacenses son de
clase F, según clasificación ASTM C 618 Standard Specifications for Coal Fly Ash [4,
5, 6]. Respecto a la escoria, se identifica que por cada tonelada de acero fabricado
se generan entre 0.1-0.3 toneladas de escoria, generándose anualmente un
promedio de 70000 a 96000 toneladas [7, 8], motivo por el cual algunos estudios
han demostrado la factibilidad tanto química como física que tienen estos residuos
para la obtención de productos de vidrio, debido a su contenido de CaO, SiO2 y MgO
25

como componentes mayoritarios y de óxidos de MnO y Fe2O3 como constituyentes
menores [10]. En el caso del casco de vidrio, del cual se generan aproximadamente
5084 toneladas por año, derivadas del consumo y de los mismos procesos de
producción; su composición química posibilita la obtención de nuevos materiales
teniendo en cuenta que puede ser reciclado en un 100% y en una cantidad indefinida
de veces, optimizando el ahorro energético, reduciendo costos y el volumen de
residuos que pueden ser enviados al vertedero [11].

Las anteriores cifras representativas relacionadas con la generación de residuos en
las diferentes industrias del país, evidencian la necesidad de buscar alternativas para
dar una adecuada disposición final de los mismos más allá de su parcial
incorporación en productos derivados del asfalto y el concreto respectivamente. Por
este motivo, la presente investigación se enfoca no solo a utilizarlos como aditivos
o sustitutos, sino a usarlos en su totalidad como materias primas en la obtención de
materiales vitro-cerámicos, teniendo en cuenta, que estos tienen excelentes
características en comparación con las cerámicas y los vidrios tradicionales. En
países como Alemania, Italia, Japón y Brasil entre otros, se ha demostrado la
factibilidad en la obtención de materiales vitro-cerámicos con propiedades relevantes
para aplicaciones tecnológicas, industriales y en la construcción usando residuos
industriales de escoria, casco de vidrio y cenizas volantes [12], siendo evidente que
no solo es factible utilizar recursos naturales para obtención de productos, sino
también los mismos desechos que se generan en los procesos productivos para el
diseño de materiales con un alto valor agregado.

Para el desarrollo del presente trabajo, se analizaron 8 tipos de cenizas volantes (A,
B, C, D, E, F, G, H) provenientes de una misma planta termoeléctrica, dos tipos de
escoria del proceso de arco eléctrico (ESC1, ESC2) y una muestra de casco de vidrio;
a los cuales se les realizó la correspondiente caracterización físico química y
morfológica. Así, se analizan 3 tipos de materiales, identificados como Mezcla 1,
Mezcla 2 y Mezcla 3, relacionado con los tres diseños de mezclas sin tratamiento
26

térmico. Por su parte los materiales obtenidos por sinterización de polvos vítreos se
identificaron como Prototipo 1, Prototipo 2 y Prototipo 3. Y por último las muestras
obtenidas por sinterización de muestras de polvo compactadas en frío se
identificaron como Material X1, Material X2 y Material X3, en este último para
identificar las temperaturas y tiempos de tratamiento, estos se indicaron de manera
individual para cada muestra (Material X1-1300°C-2h).

Abstract

Development in the field of materials science are contributing to providing solutions
for the recycling of industrial residues to develop new materials. Such approaches
are generating new products and provide optimal alternatives for the disposal of
different types of industrial waste. Reason why this research has focused on
identifying and characterizing slag, fly ash from coal and cullet in the region of
Boyacá in Colombia, as a raw material for producing materials glass-ceramic with
the innovative aspect of the use of these three residues without the addition of
agents nucleantes to produce the glass-ceramics.

In the concrete case of Colombia's Boyacá region, thermoelectric plants, steel mills
and glass-producing companies are responsible for the generation of industrial waste
of fly ash, slag and glass hull, respectively, generating at least 800000 tons of fly
ash that are discarded annually by Colombia's thermoelectric plants, of which 50000
correspond to the Boyacá region [2]. The fly ash are waste generated by the
combustion of pulverized coal in thermoelectric power plants [3], and its percentages
of elemental composition varies depending on the type of coal, the degree of
spraying and the type of collectors employees, even when these ashes are obtained
from the same source of production [4]. The Studies of characterization of these
materials have established that the fly ash generated in the Boyacá industries are
class F, according to the classification ASTM-C618 Standard Specifications for Coal
Fly Ash [5][6], [7]. With regard to slag, is clear that for each ton of steel
manufactured between 0.1-0.3 tons of slag, generating an average of 70000 to
96000 tons annually [8][9]. Some studies have demonstrated the feasibility both
chemical and physical that these residues have for the obtaining of glass products,
due to its content of CaO, SiO2 y MgO, content as majority components, MnO and
Fe2O3 oxides as minor constituents [10]. In case of the glass hull, of which
approximately 5100 tons are generated per year, derivatives of the consumption and
of the same processes of production. Its chemical composition makes the securing
28

of new materials possible bearing in mind that it can be recycled in 100 % and in an
indefinite quantityof times, optimizing the energy saving, reducide costs and the
volume of residues that can be sent to the dump [11].

The above representative figures related to the generation of waste in the different
industries of the country, highlight the need to look for alternatives to give an
adequate final disposition of them beyond their partial incorporation in asphalt and
concrete products respectively. For this reason, current research focuses not only to
use as additives or substitutes, but also in the use of them as raw materials in the
procurement of materials vitro-ceramic, bearing in mind that these have excellent
characteristics in comparison with traditional ceramics and glasses. In countries such
as Germany, Italy, Japan and Brazil among others, has demonstrated the feasibility
in the procurement of vitro-ceramic materials with relevant properties for
technological applications, industrial and construction using industrial waste of slag,
cullet and fly ash [12]-[13]. Is evident that it is not only feasible to use natural
resources to obtain products, but also the same wastes that are generated in the
production processes for the design of materials with a high added value.

For the development of this work, were analyzed 8 types of fly ash (A, B, C, D, E, F,
G, H) from a same thermoelectric plant, two types of slag in the process of electric
arc (ESC1, ESC2) and a sample of cullet; to whom they made the appropriate
characterization physio-chemical and morphological. Thus, 3 types of materials are
analyzed, identified as Mixture 1, Mixture 2 and Mixture 3, related to the three non-
heat treatment mixture designs. Materials obtained by sintering vitreous powders
were identified as Prototype 1, Prototype 2 and Prototype 3. And finally the samples
obtained for sinterización by compression in cold of a dust were identified like
Material X1, Material X2 and Material X3, in the last one to identify the temperatures
and times of treatment, these they were indicated in an individual way for every
sample (Material X1-1300°C-2h).

1. INTRODUCCIÓN

1.1 MOTIVACIÓN: PROBLEMAS AMBIENTALES RELACIONADOS CON LA
DISPOSICIÓN FINAL DE RESIDUOS INDUSTRIALES DE ESCORIA,
CENIZA VOLANTE DE CARBÓN Y CASCO DE VIDRIO

Uno de los mayores problemas asociados al desarrollo industrial, es la producción
de desechos y materiales que por su naturaleza no poseen un adecuado proceso de
disposición final y/o aprovechamiento, generando grandes volúmenes de
contaminación en diversos niveles, afectando la calidad de vida de la población y de
los ecosistemas en general. En este sentido es claro que una de las principales
soluciones a esta problemática, la constituye la posibilidad de reutilización de
materiales que podrían ser susceptibles de ser empleados como materia prima en la
fabricación de nuevos productos, debido a sus propiedades fisicoquímicas y
mecánicas. La aplicación de la anterior directriz, en el contexto regional del
departamento de Boyacá, indica que la concentración de industrias metalúrgicas y
termoeléctricas que involucran una gran nivel de generación de residuos a manera
de escoria siderúrgica, ceniza volátil de carbón junto con amplios volúmenes de
residuo de vidrio, que no pueden disponerse de manera sencilla y rápida, pueden
servir de base para la obtención de productos novedosos y con aplicabilidad
industrial dadas algunas propiedades físicas, químicas y mecánicas que poseen y
que permiten reducir el impacto ambiental generado por este tipo de materiales.

Al respecto, los estudios realizados por Valadares [14] , indican que los residuos
generados a manera de escoria pueden ser usados como aditivos en la producción
del vidrio y vitro-cerámicos, sin embargo, su adición al proceso de producción ha
presentado resultados no satisfactorios con respecto a propiedades como la
resistencia y apariencia física, debido a que el producto resultante es opaco y en
30

ocasiones oscuro, lo cual podría corregirse en la medida que se incorpore en el
proceso productivo, residuos de ceniza volátil, permitiendo lograr las propiedades
físicas de un vidrio convencional y otras mejoras que aún permanecen sin una
aplicabilidad clara dada la novedad en el desarrollo de estas tecnologías. Si bien en
el mundo existen ejemplos claros de estrategias adoptadas por varias industrias
respecto al reciclaje de sus residuos, la mayor parte de los mismos se han
encaminado a su uso como aditivos en la producción de cemento, concreto, y en la
fabricación de vidrio, lo que ha permitido dar un uso alternativo a estos residuos,
aprovechando sus propiedades fisicoquímicas y permitiendo lograr nuevos productos
con diferentes características a los convencionales.

Los materiales vitro-cerámicos obtenidos en esta investigación por los métodos de
sinterización de polvos vítreos y sinterización de muestras en polvo compactadas en
frío, se desarrollaron como una alternativa ecológica de disposición final de los
residuos industriales de escoria, ceniza volante de carbón y casco de vidrio,
materiales con composición de alumino-silicatos (SiO2 y Al2O3) usados en la
producción de materiales vitro-cerámicos con excelentes propiedades mecánicas y
químicas.

La producción de materiales vitro-cerámicos mediante el uso de residuos
industriales, representa una reducción de las emisiones, junto con la preservación
de recursos naturales, avanzando hacia el desarrollo sostenible. Por lo tanto, el
desarrollo de vitro-cerámicos basados en materiales de residuos industriales
representa beneficio desde el punto de vista económico como ambiental, y dichos
materiales exhiben propiedades mecánicas, que pueden explotarse como una
alternativa para el uso en materiales para la industria de la construcción.

1.2 OBJETIVOS Y METAS

El principal objetivo de este proyecto de investigación es producir prototipos de vitro-
cerámicos, a partir de la reutilización porcentual de escoria, ceniza volante de carbón
y casco de vidrio, generadas en los procesos industriales del departamento de
Boyacá, para lo cual se determinaron como objetivos específicos: Determinar las
propiedades y características físico químicas de los residuos industriales (escoria,
cenizas volantes, casco de vidrio) a reutilizar en el proceso de fabricación de vitro-
cerámicos. Producir prototipos de vitro-cerámicos utilizando residuos micro-
particulados de escoria, cenizas volantes de carbón y casco de vidrio en adiciones
porcentuales, en el proceso de producción. Determinar las propiedades físico-
químicas, mecánicas de los prototipos de vitro-cerámicos, producidos en el
laboratorio e identificar y proponer posibles aplicaciones de los diferentes prototipos
producidos.

La tesis está organizada por capítulos de la siguiente manera: El Capítulo 2 contiene
los fundamentos que presentan los temas de relevancia para el proyecto de
investigación, incluido el montaje experimental y las propiedades y caracterización
físico- química de los residuos industriales utilizados en este proyecto y el
conocimiento básico de los materiales vitro-cerámicos. Los capítulos 3 y 4 presentan
la producción y análisis físico-químico y mecánico de material vitro-cerámico
obtenido por sinterización de polvos vítreos y por sinterización de muestras en polvo
compactadas en frío. El capítulo 5 se investigó el comportamiento de los vitro-
cerámicos cuando se sometieron a pruebas de choque térmico y desgaste.
Finalmente, el Capítulo 6 incluye conclusiones generales, resumen de los principales
logros y sugerencias para futuras investigaciones.

1.3 ANTECEDENTES Y MARCO TEÓRICO

Existen iniciativas de reutilización de residuos industriales en la fabricación del vitro-
cerámicos, optimizando los procesos productivos y reduciendo los impactos
ambientales, las propuestas van desdela utilización de vidrio reciclado como primera
alternativa, y la utilización de residuos industriales de termoeléctricas y siderúrgicas.
La escoria generada en la producción de acero, se consolida como la segunda
alternativa de reutilización en la producción de materiales de vidrio y vitro-cerámicos.
En el departamento de Boyacá existen industrias del acero, tanto en la fabricación
directa, como en el fundido de chatarra, que generan escoria en su proceso
productivo, este tipo de escoria ha sido utilizado con éxito en el proceso de
fabricación de vidrios y vitro-cerámicos obteniendo buena dureza y tenacidad en el
producto obtenido.

Lazavera y colaboradores [15], estudiaron las propiedades físicas y químicas de los
vidrios, y vitro-cerámicos de silicatos, a partir de escoria metalúrgica teñida con
adiciones de bórax, carbonato de sodio Na2CO3, y vidrios solubles para disminuir la
temperatura de fusión. La temperatura de síntesis del material fue de 1000-1100 °C
entre 1 y 3 horas y el producto obtenido presentó una densidad de 3500 kg/m3. Así
mismo, el material presentó alta resistencia química y mecánica.

Con el uso de la escoria de horno básico de oxígeno, mezclando con arena y Na2O
en distintas proporciones, con temperaturas de fusión entre 1400 y 1450°C por 1
hora, utilizando crisoles de Al2O3-ZrO2, Rawling y colaboradores [10], fabricaron
vidrios y vitro-cerámicos, obteniendo la mejor mezcla con 60% de escoria BOF, 35%
de arena y 5% de Na2O (% en peso), con temperaturas de nucleación a 660°C, y
cristalizadas isotérmicamente a 775°C. La resistencia a la flexión de las muestras de
Vitro-cerámicos (aprox. 136 MPa) fue mayor que para el típico mármol (aprox. 5
MPa) o el vidrio calizo (aprox. 50 MPa), indicando uso de este material como
baldosas para pavimento u otras aplicaciones en el sector de la construcción.
33

El-Alaily en el 2003, citado por Rawling [10], se centró en la fabricación del vidrio
con 20% de Li2O y 80% de SiO2 (%en peso) mezclado con distintos contenidos de
escoria de alto horno hasta una concentración de 35%; fundieron a 1350°C,
sometiéndolos posteriormente a 500°C/1hora y a 850°C/1hora, lo que permitió una
completa cristalización y obtención de material vitro-cerámico.

Por su parte, Valadares Folguera y colaboradores [16], intentaron fabricar vidrio con
tres composiciones diferentes de residuos de cenizas volantes y escoria,
determinadas mediante el Diagrama de Gingsberg, concluyendo que con la
combinación de proporciones adecuadas de la escoria y cenizas volantes, es posible
obtener vidrios de cristal a una temperatura de fusión adecuada y que con el proceso
de cristalización controlada se pueden obtener vitro-cerámicos.

Karamberi A y Moutsatusou A [17], realizaron un estudio para la producción de vidrio
y cerámicas de vidrio, con el uso de dos tipos de cenizas volantes, (producción de
Fe-Ni y fabricación de acero), la vitrificación tuvo lugar entre 1350-1450°C y la
cristalización se logró a 900, 950 y 1000°C en cada una de las escorias, concluyendo
que es posible lograr material vitro-cerámico.

Con la fusión de las mezclas de ceniza de central eléctrica, escoria de titanio y MgCO3
como aditivo, se elaboró un nuevo vidrio de cerámica sintetizado por el crecimiento
del cristal, se utilizó un tratamiento térmico de nucleación a 850°C/2h y cristalizando
a 985°C/1.5h, para obtener el vidrio cristalizado [18].

Hongyu Liu y colaboradores [19], prepararon vidrio cerámico con el uso de aditivo
de escoria de alto horno y 5% en peso de feldespato potásico, el tamaño de la
escoria usada fue de entre 10 a 20 micras que se mezclaron con el 5, 8 y 10% de
polvo de feldespato potásico (tamaño de 5 a 10 micras), después de un proceso
térmico, obtuvieron materiales Vitro-cerámicos con propiedades mecánicas y
34

fisicoquímicas superiores al ladrillo de arcilla; el aditivo del 5% de feldespato
potásico, mejora las propiedades de sinterización.

En 2011, D. Oziel Méndez Guerrero y colaboradores [11], obtuvieron material vitro-
cerámico a partir de una escoria de acería, mezclada con vidrio de botellas de jugo;
la temperatura máxima de trabajo entre de 1300-1450°C/2 horas, con velocidades
de calentamiento de 10°C/min y flujo de aire de 100 mL/min; realizaron dos
composiciones; mezcla 1: 50% escoria y 50% casco de vidrio y mezcla 2: 58%
escoria y 41.37% de casco de vidrio, obteniendo material negro muy brillante con
apariencia a espejo sin la presencia de cristalización superficial.

Han-qiao y colaboradores [20], experimentaron dos tipos de cenizas volantes
incineradas llamadas en la investigación FA1 y FA2, en combinación con el casco de
vidrio para la generación de productos vitro-cerámicos, la estructura química de las
cenizas utilizadas es de CaSiO3, que fueron combinadas con una pequeña cantidad
de diopsitas, (Ca(Mg, Al)(Si, Al)2O6), la temperatura de sinterizado utilizada fue de
850 a 1000°C, concluyendo que las cerámicas de vidrio pueden ser producidos a
partir de la fusión de la mezcla de las cenizas volantes y casco de vidrio en una
proporción de 3:1 con 3% (fracción de masa) TiO2 tienen propiedades deseables, y
puede ser el sustituto de materiales de la naturaleza.

Shanlunenko y colaboradores [21], produjeron material de vidrio a base de cenizas
de incineración de plantas; a partir de la utilización de 50%, 60%, 65% y 70% de
contenido de cenizas como aditivos a las materias primas principales de la
producción de vidrio (arena y sosa), mezclas tratadas en un horno de gas a
temperatura de 1550°C, con vertimiento posterior en un molde precalentado a 560-
570°C por 1 hora, el resultado obtenido fue un vidrio negro debido a la presencia
de sulfuros de Fe y Mn, sin embargo, concluyeron que este vidrio cumple con las
especificaciones para la baldosa de revestimientos de vidrio.

Baowei y colaboradores [22], en el 2013 estudiaron la producción de vidrio cerámico
con el uso de cenizas volantes (SiO2 y AL2O3) y tizón del Bayan Obo esta última es
una cerámica que se encuentra en China, con composición química de SiO2 y CaO,
concluyendo que el producto obtenido tiene gran potencial para amplia gama de
aplicaciones en la construcción.

Shuming y colaboradores [13], señalan que existen dos métodos para la producción
de material vitro-cerámicos, el de cristalización y sinterización, independiente del
método a utilizar, las propiedades de los vitro-cerámicos son determinados por las
fases cristalinas y sus microestructuras, indicando que es necesario el uso de
elementos modificadores como el Na2O y B2O3, durante el estudio realizaron análisis
de las cenizas volantes según clasificación de la American Society for Testing
Materials, Clase F y Clase C (Fig. 1.1) [7]. Estas cenizas tienen contenidos en bajas
proporciones de Cu, B, Mn, Ti, Na, k y Mg que pueden actuar como agente
nucleante, agente de coloración o dopantes para mejorar las propiedades eléctricas,
ópticas, magnéticas y de los materiales vitro-cerámicos. En este estudio se
determinaron dos aplicaciones, la primera como nuevos materiales de construcción
de decoración, y la segunda para el calentamiento y secado de materiales
infrarrojos, este último debido a sus propiedades, coeficiente de dilatación térmica,
baja y buena resistencia al choque térmico.

Fig. 1. 1 Clasificación de las Cenizas según la American Society for Testing Materials
[13].
Clasificación
Cenizas
Volantes
Clase F
(Volátiles)
Sistema
MgO-Al2O3-
SiO2
No es apropiado para la producción de Vitro-
cerámicos ni como aditivo para el cemento debido a
su alto contenido en MgO y Fe2O3, sin embargo, se
puede usar para sinterizar
Clase C
(Mosca)
Sistema Cao-
Al2O3-SiO2
Excelentes propiedades como son resistencia
mecánica, estabilidad dimensional y a la abrasión,
resistencia a la corrosión, tiene amplia gama de
aplicacionesen la construcción, sin embargo,
requiere de la adición de CaO durante el proceso de
diseño de la composición.
36

Recientemente, Grelowska [23], usó la escoria de alto horno, el polvo de cemento
y el vidrio CRT (Tubo de rayo catódico) que contiene metales pesados tóxicos como
el plomo, para la producción de vitro-cerámicos, realizando ocho composiciones de
vidrio, concluyen que el vidrio modificado con escoria de alto horno, aumentó el
contenido CaO simultáneamente con el Al2O3 en relación con la diminución de SiO2,
aumentando la temperatura de transformación vítrea y el paso del calor molar que
acompaña a la gama de transformaciones.

La sinterización de vitro-cerámicos a diferentes rampas de temperatura, trabajados
por el método pretúrgico, con mezcla del 80% de cenizas de fondo y 20% de cenizas
volantes sinterizadas a 950°C, con enfriamiento posterior durante 1 hora, la
resistencia química obtenida, la durabilidad, y la concentración de la lixiviación de
metales pesados confirmaron la posibilidad de aplicaciones de ingeniería y de la
construcción, reportado por D. Hieu y colaboradores [24].

Zhu y colaboradores [25], prepararon espuma de cerámica utilizando 40% de
cenizas volantes de carbón y 60% de casco de vidrio, adicionando 30% de Bórax
como agente fundentes y 0.5% de carbonato de calcio como agente espumante (en
peso), a una temperatura de 800°C durante 45 minutos, lograron en la muestra una
densidad menor de 0,46 g/cm3, fuerza de compresión >5 MPa y una conductividad
térmica de 0,36 W/mK, mostrando buen efecto de conservación de energía para la
preservación de materiales de aislamiento térmico.

Basudeb et al., [26] en su documento, “Capitulo 9: Vidrios funcionales y vitro-
cerámicos a partir de materiales de desecho sólidos” indicaron sobre los diferentes
tipos de desperdicios de materias primas, las técnicas de procesamiento,
vitrificación, cristalización, espumado, sinterización y propiedades de vidrio y la vitro-
cerámica derivados de residuos sólidos, trabajaron cenizas volantes (incinerador -
cáscara de arroz), escoria, residuo de vidrio, residuos electrónicos. Concluyendo que
37

los materiales de desecho en función de la composición y el tratamiento térmico son
apropiados para la obtención de materiales de vidrio y vitro-cerámicos.

Ma et al., [27]. Fabricaron con éxito fibras de vidrio con el uso de diferentes
porcentajes de cenizas volantes (25-45%), obteniendo signos de cristalización de la
fibra, con un aumento proporcional de la resistencia a la tracción (320-420 MPa) al
aumentar el porcentaje de cenizas volantes. La fibra de vidrio que contiene un 45%
de cenizas volantes mostró la mejor resistencia a la tracción y una buena estabilidad
química en medio del ácido.

Gao et al., [28], evaluaron los materiales vitro-cerámicos fabricados con escoria de
alto horno como material principal, fibra de vidrio y polvo de Aluminio, como
materiales de refuerzo, evaluaron las fases, la microestructura, las propiedades
mecánicas y la densidad aparente, obtuvieron buenos resultados. Propiedades
mecánicas en la vitro-cerámica fabricada con la composición del 6% de Al y el 14%
de fibra de vidrio, obteniendo alta resistencia y alta plasticidad de la vitro-cerámica
fabricada.

Dhir et al., [29] consolidan algunas investigaciones experimentales relacionadas con
el uso de vidrio en la fabricación de productos a base de cerámicas, vitro-cerámicas,
espumas de vidrio cerámico, ladrillos y baldosas cerámicas, productos cerámicos,
materiales de acabado estéticos, medios de filtración, resinas, fibras de vidrio,
materiales abrasivos, rellenos de pintura, recubrimientos de techos, entre otros.
Demostrando la viabilidad de la reincorporación de residuos industriales a la
producción de procesos existentes.

Deng et al., [30], sinterizaron materiales vitro-cerámicos utilizando relaves de Bayan
Obo, cenizas volantes y alto horno de escoria. Las vitro-cerámicas obtenidas
contienen una matriz de vidrio dendrítico en diopsita en el que se encuentran
partículas dispersas de FeSi2. El análisis de los materiales se realizó a través de
38

técnicas de DSC, DRX, SEM, FTIR, TEM y pruebas de rendimiento mecánico. Los
resultados muestran materiales vitro-cerámicos con una densidad máxima de 3,04
g / cm3, micro dureza de 0,837 GPa, resistencia a la flexión de 210.27 MPa,
resistencia al impacto de 3.68 kJ/m2, resistencia a los ácidos del 97,91% y resistencia
a los álcalis de 98,85. %, materiales que los autores recomiendan que se utilicen
para diversas aplicaciones industriales.

Gonçalves et al., [31], obtuvieron materiales vitro-cerámicos magnéticos, utilizaron
vidrio de boro silicato con 13% en peso de B2O3 y residuos de escamas de hierro
(95% en peso de Fe; 1,7% en peso de Al; 1,3% en peso de Mn; 1,0% en peso de
Si ; 0,5% en peso de Cr y otros trazas de metales). Usando una temperatura de
fusión a 1550 ° C / 4h, las propiedades del material obtenido se caracterizaron por
DRX, espectroscopia Raman, magnetómetro de muestra vibrante (VSM),
espectroscopia de Mössbauer, TEM. Los resultados mostraron el gran potencial de
esta vitro-cerámica para aplicaciones en el campo de la ingeniería biomédica,
dispositivos magnéticos, imágenes por resonancia magnética, como sustituto de la
magnetita pura en aplicaciones como la absorción de microondas y la hipertermia.

El uso de la escoria, cenizas volantes de carbón y casco de vidrio se ha venido
consolidando como una opción bastante prometedora y de mejora ante la escasez
de materias primas para la industria cerámica, provee una alternativa efectiva y
económica para los residuos industriales y en ocasiones mejora las propiedades de
los materiales producidos, con el uso de estos residuos se han producido en
laboratorio materiales sustitutos del mármol, vitro-cerámicos decorativos, sustituto
de ladrillos de arcilla, baldosa de revestimiento de vidrio, Calentamiento y secado de
materiales por infrarrojo, materiales de construcción de decoración, materiales de
aislamiento térmico entre otros, [32][17] [13][16][19][25][33][34].

1.3.1 Fase vítrea

La definición de fase vítrea, se ha ajustado a través del tiempo, Tammann,
constituyo el primer cuerpo de doctrina sobre el tema, definiéndolo como “Líquidos
sub-enfriados”, pero éstos no poseen un equilibrio interno, como los demás líquidos.
Son cuerpos vítreos que se caracterizan por propiedades generales y comunes, que
sirven para definir fenotípicamente a los vidrios, sin embargo, no proporcionan
información acerca de su constitución estructural, ya que el vidrio carece de un
verdadero punto de fusión o temperatura liquidus, que es la temperatura a la cual
la fase cristalina coexiste en equilibrio con la fase fundida, este puede pasar de un
modo reversible de su forma fundida en estado líquido al estado rígido o congelado
sin la aparición de una nueva fase en el sistema. La causa que determina la
congelación de una sustancia en el estado vítreo radica en el progresivo aumento
de la viscosidad que se produce durante su enfriamiento, lo que impide la agrupación
ordenada de sus elementos constituyentes para formar una red cristalina, como
consecuencia de su estado de no-equilibrio termodinámico, una sustancia en estado
vítreo posee una energía interna más elevada que la del estado cristalino, sin
embargo, el hecho de que los vidrios puedan mantener su forma indefinidamente,
a temperatura ambiente, sin presentar señales de cristalización se da por su
viscosidad prácticamente infinita [35] [36].

1.3.2 Estructura del vidrio

Se han realizado diferentes estudios con el fin de determinar la estructura del vidrio,
existiendo autores que lo analizan y definen con criterios geométricos, debido a la
forma en que encuentran distribuidos los elementos atómicos y moleculares del
vidrio, otros autoresconsideran importante saber cuáles son las causas y las
condiciones que debe cumplirse para que una sustancia pueda obtenerse en estado
vítreo y otros autores han elaborado sus conclusiones a partir de estudios científicos
[37].
40

Las propiedades de los materiales están dadas por la naturaleza química de sus
componentes y por la ordenación de sus constituyentes, es decir, que de su
estructura depende la aplicabilidad del material. Debido a la indefinida composición
química para obtención del vidrio se ha hecho difícil definir un modelo estructural
único. Según la teoría asociada a la geometría molecular, el vidrio forma una red
aleatoria en la que cada átomo de silicio es rodeado por cuatro átomos de oxígeno
situados en los vértices de un tetraedro, cada uno se une a los átomos del silicio
vecinos, los átomos de calcio y sodio se encontrarían en los huecos de esta red
molecular; así, cuando la sílice pasa al estado vítreo, la ordenación tetraédrica se
sigue manteniendo a nivel individual de cada átomo de silicio, aunque los enlaces
entre átomos de oxígeno y silicio se realizan en un aparente desorden, como se
observa en la Fig. 1.2 [38].

Fig. 1. 2 Conformación estructural del vidrio [1]

Según la norma ASTM existen varias definiciones de vidrio y estas pueden
consolidarse como: “Un producto inorgánico de fusión enfriado hasta un estado
rígido no cristalino” sin embargo, Morey indica que “es una sustancia inorgánica que
41

se halla en un estado asimilable al líquido, del que hay prolongación, pero que, como
resultado de un cambio reversible experimentado durante el enfriamiento, alcanza
un grado tan alto de viscosidad que puede considerarse sólido a todos los efectos”
[36], sin embargo, Elías Castells indica que es “una sustancia compacta, físicamente
uniforme que se encuentra en un estado amorfo que a temperaturas bajas se torna
rígida - frágil y a temperaturas altas reblandece, y con la incorporación de residuos
inorgánicos altamente tóxicos a la red atómica convierte a esta tecnología en la más
segura para el tratamiento y disposición final de cierto residuos” [39]. Como
definición general se ha tomado la descrita por Fernández Navarro quien indica que
los vidrios: “son sustancias termodinámicamente inestables, estructuralmente
desordenadas, químicamente complejas y variadas, con propiedades y aplicaciones
tecnológicamente muy diversas” [40].

1.3.3 Proceso de producción y formación del vidrio

En la fabricación del vidrio, comúnmente son usadas como materias primas la sílice
(SiO2), la cal (CaO) y la sosa (Na2O) de forma variada, siendo la sílice la materia
prima principal en la producción del vidrio y el componente responsable de la
estructura esencial del vidrio y su comportamiento, teniendo en cuenta que el vidrio
pasa de un estado líquido y a un estado sólido prácticamente rígido. El proceso de
producción inicia con la selección y preparación de las materias primas principales y
aditivos, los cuales se introducen en un horno que es elevado gradualmente a
temperaturas cercanas a los 1600°C, punto en el cual se logra la fundición de todas
las materias primas, una vez fundidas las mezclas, se realiza el formado del vidrio
por algunos de los procesos de soplado, prensado, laminado, estirado, colado,
flotado entre otros, este se define de acuerdo a la forma y uso que se le desea dar
al vidrio y se da a una temperatura entre los 800°C y 1100°C que es definida según
las materias primas utilizadas, posteriormente, se somete a un proceso de recocido
cercano a los 500 °C durante 1 hora, logrando el acabado final del vidrio antes de
proceder a la inspección del producto, embalaje y entrega final.
42

Cuando en los procesos de formado e inspección del vidrio, se identifican productos
rotos o que no cumplen con las especificaciones, se procede al triturado del desecho
y se mezcla con las materias primas iniciales del proceso como un aditivo en la
conformación y producción del vidrio, como se indica en la Fig. 1.3, donde se
presenta un esquema general del proceso de producción del vidrio, que es la base
para la producción de material vitro-cerámicos.

Fig. 1. 3 Procesos y materiales que intervienen en la fabricación del vidrio [36].

1.3.4 Tipos de vidrios

Los tipos de vidrio se definen de acuerdo con la composición química que los
constituye, algunos de ellos se describen en la Tabla 1.1, indicando algunas
características y usos, como podemos observar se encuentra gran variedad de tipos
de vidrios para diferentes usos y aplicaciones, desde lo más básico hasta lo más
complejo [41].

Tabla 1. 1 Algunos tipos de vidrio [41]
Composición Características Usos/Aplicaciones
Vidrio de Sílice
pura
SiO2 99,5%+
Alta temperatura de servicio, buena
resistencia química, eléctrica y dieléctrica.
Fabricación de espejos ligeros,
telescopios transportados por satélites,
reflectores de rayos láser, crisoles
especiales para la fabricación de
cristales sencillos puros.
Vidrio 96% de
sílice
SiO2:96%
B2O3: 3%
Buenas propiedades térmicas, elevada
temperatura de servicio, coeficiente de
expansión más bajo que los de cualquier
otro vidrio excepto el de sílice pura.
Conos de nariz de los misiles, Ventanas
de vehículos espaciales, Artículos de
vidrio para laboratorio que requieren
de resistencia especial al calor.
Vidrio de sosa, cal
y sílice
SiO2: 70%
Na2O: 15%
CaO: 10%
La adición de Na2O baja el punto de
ablandamiento a 900°C, se puede
reemplazar por K2O. La adición de Cal
mejora la resistencia química, se puede
reemplazar por Alúmina.
Es el más común de todos los vidrios,
usado para placas, hojas, recipientes y
bombillas.
Vidrio de plomo,
álcali y silicato
SiO2: 30-70%
PbO: 18-65%
Na2O y/o K2O: 5-
20%
El PbO reduce el punto de ablandamiento
e incrementa el índice de refracción y el
poder dispersor. Para alta resistencia
eléctrica debe contener alrededor de PbO
25%, y 6% o 7% de Na2O como de K2O.
Vidrio flint para fines ópticos, Vidrio
cristalino para las vajillas, Tubos de
termómetros, Piezas de lámparas
eléctricas, y Tubos de anuncios de
neón
44

Vidrio de Boro
silicato
SiO2: 60-80%
B2O3:10-25%
Al2O3: 1-4%
Tiene elevada temperatura de
ablandamiento que hace más difícil de
trabajar respecto a los vidrios de sosa y
cal e igualmente al de plomo.
Utensilios de vidrio para laboratorios,
tubería industrial, termómetros para
temperaturas elevadas, espejos de
telescopios grandes, utensilios
domésticos para cocina.
Vidrio de
aluminosilicatos
SiO2: 5-60%
Al2O3:20-40%
CaO: 5-50%
B2O3:0-10%
Vidrios de baja expansión y resistencia
química; con temperatura de servicio más
elevada que el vidrio de boro-silicato,
pero es más difícil de fabricar.
Tubos de alto rendimiento de
aplicación militar, tubos para ondas
viajeras y para muchas aplicaciones
semejantes a las del vidrio boro-silicato
Fuente: Autor

Adicionalmente, existen tipos de vidrios especiales, se clasifican así por su
composición en particular, entre los cuales se encuentran [41]:

 Vidrio de calcogenuro bi-dieléctrico transparente al infrarrojo: Se
fabrican de dos formas una es 100% de As2S3 y la otra es 40% de As, 20%
de Ti y 40% de S, composiciones usadas para este tipo de vidrio.
 Vidrio foto-crómico: SiO2: 60%, Na2O: 10%, Al2O3: 10%, B2O3: 20%, Ag:
0,6%, Cl: 0,3%, Li2O: 0,9%
 Vidrios semiconductores de vanadato: V2O5: 85%, P2O5: 10%, BaO: 5%.
 Vidrio fotosensible al rubí-oro: SiO2: 72%, NaO2: 17%, CaO: 11%, Au:
0.02%, Se: 0.04%.

1.4 LOS MATERIALES VITRO-CERÁMICOS

Son materiales cerámicos avanzados, esencialmente no metálicos y micro cristalinos,
que se pueden obtener a través de la desvitrificación controlada de vidrios
preformados, que combinan propiedades de los materiales cerámicoscristalinos con
las propiedades de los vidrios, su proceso de obtención es similar al proceso de
45

producción del vidrio [39], es decir, que pueden ser conformadas fácilmente y se
puede lograr su cristalización hasta el 90% de la masa vítrea, mediante un proceso
térmico controlado. El tamaño de los cristalitos finales varía entre 0.1 a 1 µm y la
pequeña cantidad de vidrio residual queda entre las micro-partículas haciendo de
relleno y evitando la presencia de poros. Tiene mejores resistencias al impacto
mecánico (por qué no presenta porosidad o esta es miníma) y al choque térmico
(porque los coeficientes de expansión térmica son muy bajos, fase principal: β-
eucriptita).

Los agentes nucleantes son partículas muy finas de TiO2 que favorecen la
compactación. La composición química de un vitro-cerámico común es: 74% SiO2,
4% Li2O, 16% Al2O3 y 6% TiO2. Hay otros sistemas ligeramente diferentes basados
en MgO y en ZnO [42]. Además, se tienen otros agentes nucleantes que pueden ser
usados para la producción de vitro-cerámicos entre los cuales se encuentra P2O5,
Cr2O3, Fe2O3, en proporciones del 0,5% al 10%. La desvitrificación, depende
principalmente de tres factores, la composición química, de la temperatura y de su
variación en función del tiempo [43]. Al ser controlado el proceso de desvitrificación
para obtener materiales de grano fino, sin tensiones y con una gran resistencia
mecánica, con una alta conductividad térmica y muy resistente al choque térmico,
se logra la producción de material vitro-cerámico [35]. El proceso de desvitrificación
por los mecanismos de nucleación y crecimiento de grano o cristales fue dado a
conocer por Tammann [44], a partir de este proceso se da la formación de los vitro-
cerámicos (Fig. 1.4).

Fig. 1.4 Curvas térmicas de obtención de vitro-cerámicos usando catalizador [39]

Los materiales vitro-cerámicos trabajados en esta investigación, son los de tipo de
uso industrial, de acuerdo a la clasificación realizada por Castel [39] y consolidada
en la Fig. 1.5, teniendo en cuenta que las materias primas de partida provienen de
procesos industriales (escoria, la ceniza volante de carbón y el casco de vidrio).

Fig. 1.5 Tipos de materiales vitro-cerámicos. Adaptado [39].

1.4.1 Microestructura y propiedades de los vitro-cerámicos

La microestructura de los materiales vitro-cerámicos está dada por la desvitrificación
controlada para la formación de núcleos y el crecimiento del tamaño de grano
Tipos de
Vitro-
cerámico
Técnicos
Usa materias primas para la producción de los vidrios
comunes comerciales, se agrupan según el componente
mayoritario ya sea Li, Mg, B, Ba, es normal la adición
de otros óxidos con el objeto de potenciar diversas
propiedades.
Usos
arquitectónic
o de tipo
petrúrgico
Usa materias primas constituidas principalmente por
rocas, minerales o mezcla de ambos y puede obtenerse
incluso por proceso de sinterización
Uso industrial
Se usan los residuos industriales, como es la escoria y
cenizas volantes de carbón y otros subproductos de la
industria metalúrgica
47

alrededor del núcleo, en la Fig. 1.6, se puede observar la microestructura típica de
un vitro-cerámico al ser formado a partir de un vidrio.

Fig. 1. 6 Microestructura de vidrio a vitro-cerámico, a. formación de núcleos, b.
crecimiento del cristal alrededor del núcleo, y c. microestructura vitro-cerámico [45].

Las microestructuras varían de acuerdo a la composición química, a los procesos de
sinterización y tratamientos térmicos y tiempos de permanencia, la morfología
también está relacionada con las fases cristalinas formadas por el proceso de
desvitrificación, determinando las propiedades de los materiales vitro-cerámicos, en
el capítulo 7 se presentan las propiedades de los materiales vitro-cerámicos, dando
a conocer un consolidado general de las propiedades de los vitro-cerámicos, de
acuerdo a estudios previos donde utilizaron cenizas volantes de carbón y/o escoria
y/o casco de vidrio como materias primas. Es importante tener en cuenta, que la
composición química, la microestructura y el proceso de fabricación determina si un
material es vitro-cerámicos o no, aspecto que se explicará en el transcurso de este
documento.

1.5 TEORÍA GENERAL DE TRANSFORMACIÓN DE FASES

La teoría general de transformación de fase fue desarrollada por Kolmogov-Johnson-
Mehl-Avrami, la teoría es universal y aplicada a la obtención de materiales vitro-
cerámicos; teniendo en cuenta los procesos de nucleación y crecimiento del cristal
alrededor del núcleo, nos entramos a la conceptualización de nucleación homogénea
48

y nucleación heterogénea, que está relacionada con la transformada en función del
tiempo a una temperatura constante, y puede ser expresada en términos de la
velocidad de nucleación (I) y de la velocidad de crecimiento de los cristales (U)
[46][47]

1.6 NUCLEACIÓN HOMOGÉNEA Y HETEROGÉNEA

Con base en la explicación dada por Paucar [46] la nucleación homogénea se
presenta cuando los sitios disponibles para nucleación no se agotan hasta el final de
la transformación lo que define como nucleación homogénea, es decir, cuando los
núcleos se originan a partir de los propios materiales constituyentes del proceso de
fundición, con la misma o similar composición química de la fase cristalina
precipitada.

Por su parte, la nucleación heterogénea, se da cuando los sitios disponibles para
nucleación se extinguen antes del final de la transformación, es decir, cuando el
número de sitios, es pequeño o la velocidad de nucleación es muy alta y cuando se
da la nucleación a partir de partículas de composición diferente a la del fundido entre
las cuales se pueden identificar impurezas, burbujas, o aspectos que limitan el
fundido (paredes del crisol que se usa en el proceso) [46]].

1.7 PROCESO DE SINTERIZACIÓN

El proceso de sinterización consiste en la formación de cuerpos densos y compactos,
caracterizado por dos fases una sólida y otra porosa que se elimina progresivamente,
se puede dar de varias formas o etapas que deben incluirse tanto la densificación
de vidrio como la cristalización del material, los cuales pueden ocurrir
simultáneamente con un solo tratamiento térmico para la nucleación y cristalización
que depende de la composición química del material de partida o en forma separada
en dos tratamientos térmicos, inicialmente con bajas temperaturas proporcionando
49

alta velocidad de nucleación y el segundo tratamiento térmico con temperatura
superior a la de transición vítrea con el fin de promover el crecimiento de los núcleos,
el método pretúrgico es otra forma de obtener material vitro-cerámico el cual
consiste en la fundición de silicatos con cambios bruscos de temperatura en esta
técnica, el proceso de nucleación y cristalización se dan durante el enfriamiento del
material. Por último y no menos importante, está el método de sinterización de
muestras de polvo compactadas en frío, como su mismo nombre lo indica se
sinterizan las muestras en polvo que han sido compactadas en frío, seguido de un
tratamiento térmico a altas temperaturas para la formación de nucleación y
cristalización de los materiales [10].

El principal objetivo de cualquier teoría de sinterización, es predecir el
comportamiento de un compacto, es decir, la geometría inicial y se basa en un
modelo de contracción en partículas con crecimiento de granos. En la sinterización
se llevan a cabo tres estados: 1). Crecimiento de granos interconectados, 2).
Producción de los canales que conectan los granos y 3). Completa densificación
mediante la eliminación de poroso; estos tres estados están relacionados con los
movimientos físicos de las partículas vítreas adentro y en la superficie del compacto
[46]. En la Fig. 1.7, se observa el comportamiento de la temperatura en función de
la tasade nucleación y crecimiento de grano y el comportamiento de la temperatura
en función del tiempo, indicando el tratamiento térmico en dos etapas, las cuales
están relacionadas con el proceso de nucleación y cristalización del material.

Fig. 1. 7 Diagrama del proceso de cristalización de un vidrio para formar material
vitro-cerámico a) representa el comportamiento de la temperatura en función de las
tasas de nucleación y crecimiento y (b) la Temperatura en función del tiempo
indicando el tratamiento térmico de dos etapas, nucleación y cristalización [10].

Durante el proceso de sinterización, los tratamientos térmicos deben ser lo
suficientemente altos para permitir el flujo viscoso y así obtener una microestructura
libre de poros [48][49]. Por lo cual, Clark [50], plantea llevar a cabo tratamientos
térmicos con altas velocidades de calentamiento que permitan favorecer el proceso
de flujo viscoso por encima de las cinéticas de cristalización. En los procesos de
sinterización se debe realizar una selección cuidadosa de la composición química, el
tratamiento térmico, el tiempo de permanencia, las rampas de calentamiento entre
otras variables que se determinan como controles que conducen a la cristalización
en la obtención de material vitro-cerámicos. Para ser más precisos, la difusión
volumétrica, la difusión de contorno de granos, la fluencia viscosa, la evaporación,
la condensación y cualquiera de las combinaciones de ellas que se dan durante los
procesos térmicos, son los responsables del proceso de sinterización [51].

1.7.1 Factores que influyen en los procesos de sinterización

a. La viscosidad del vidrio: Es el factor más importante para densificar un vidrio
antes de convertirlo en material vitro-cerámico. El modelo de viscosidad más
popular es la ecuación de Vogel – Fulcher – Tammann (VFT), el cual tiene en
cuenta la temperatura, la composición y los tres parámetros de VFT que son
contantes para un vidrio dado en intervalos de temperatura relativamente
amplios. El criterio para la sinterización de un vidrio se da en el intervalo entre
la temperatura de transición vítrea Tg y el inicio de la cristalización Tc, entre
más pequeño sea este rango (T = To-Tg) se disminuye la posibilidad de
sinterizar el vidrio por flujo viscoso, por los cambios bruscos de la viscosidad
dados por los procesos de cristalización, sin embargo, algunos agentes
modificadores permiten reducir la tendencia a la cristalización mejorando la
densificación de los vidrios [46]].

b. La composición química: Induce a la formación de una o más fases cristalinas
en los materiales, particularmente, los materiales formados a partir de
aluminosilicatos obtenidos por sinterización, las propiedades dependen de la
composición química y del tratamiento térmico. Los ciclos térmicos necesarios
para la sinterización son diferentes para cada composición química, que están
relacionadas con las energías de activación tanto para el flujo viscoso como para
la cristalización [52].

c. Tamaño de partículas vítreas: Depende de la composición y la viscosidad
para la densificación de polvos vítreos, Paucar [46], precisa que un solo cambio
de tamaño de partículas pasando de 10 µm a 1 µm en materiales con
composiciones de aluminosilicatos, aumenta 10 veces la velocidad de
sinterización y cuando el tamaño de partícula disminuye, se aumenta el número
de sitios activos de nucleación de fases meta estables en la superficie de las
52

partículas, y la transformación a fases estables se reduce quedando la superficie
restringida a condiciones de meta estabilidad.

d. La forma de las partículas: Las partículas de vidrio con forma irregular
sinterizan hasta cinco veces más rápido que las partículas esféricas del mismo
tamaño. Este efecto se explica porque las partículas irregulares pueden
presentar esquinas agudas y morfologías que aumentan el número de puntos
de contacto e interacción entre ellas [46][53].

e. La distribución y el empaquetamiento de las partículas en el material:
estos dos aspectos son determinantes en la densidad del conformado inicial y
final del material. A temperaturas y tiempos iguales de sinterización para
compactos con diferentes tamaños de partículas, se obtienen estructuras más
densificadas [46].

f. La formación de micro poros: En el proceso de sinterización se presentan
diversos fenómenos como: redondeo de bordes en las partículas, evaporación y
condensación, crecimiento de granos, formación y unión o fundición de poros.
Todo proceso de cristalización afecta el proceso de sinterización generando
poros que quedan en la microestructura de los vitro-cerámicos, por lo general,
contienen distribuciones poli dispersas, debido a la aglomeración de las
partículas de distinta morfología y tamaño aspecto denominado como
“empaquetamiento no uniforme”, el cual puede afectar la velocidad de
contracción del material durante la sinterización concibiendo una cinética de
contracción con diferentes velocidad de fundición o unión entre poros. El tiempo
y la temperatura define la posibilidad de obtener materiales con estructuras
libres de poros, esto se da debido a: 1). La naturaleza lenticular de la porosidad,
2). Amplia distribución de tamaño de poros y 3). Alineación irregular de las
partículas que pueden inducir a contracciones anisotrópicas [54]-[55].

g. La atmósfera de sinterización: es uno de los factores externos que afecta la
sinterización, la cual, influye directamente en la formación de diferentes fases
de cristalización y en especial los procesos realizados a alta temperatura inducen
a una alta densificación sin la presencia de fases cristalinas [56].

1.7.2 Teoría de sinterización Frenkel

Se definió como un proceso tecnológico de obtención de materiales sinterizados a
partir de polvos”, esta teoría indica que la sinterización de los materiales cristalizados
se da cuando por estrés superficial que es el responsable del flujo de viscosidad en
el cristal del material; el flujo de viscosidad se genera como mecanismo de difusión
que está relacionados con el transporte dirigido de un número relativamente bajo
de "vacantes". El proceso de flujo toma lugar en el cristal del material debido a los
espacios que son vacantes situadas en los lazos de la red cristalina y el número de
vacantes de átomos aumenta al aumenta la temperatura. La forma de establecer el
coeficiente de auto-difusión del cristal y la viscosidad de fluidos de objetivos sólidos,
indica que el proceso de sinterización toma lugar en dos estados: el primero se da
cuando las partículas de polvo se combinan durante el proceso de sinterización,
donde el contacto de las partículas con la superficie incrementa, y el segundo es
cuando se lleva a cabo el proceso de saturación de poros, que está relacionado con
la disminución de poros debido a la difusión a través del material, donde los poros
son la concentración infinita de puntos-defectos y vacantes [57].

1.7.3 Teoría de sinterización Scherer

Explica los estados intermedios del proceso de sinterización donde predominan poros
abiertos y las partículas no esféricas que coalescen por el efecto de la viscosidad y
la tensión superficial, consideran los efectos de la tensión superficial en los estados
finales de densificación, donde desaparece la porosidad [58]. Este modelo, trata de
explicar la ordenación de partículas que forman las características esenciales de
54

materiales reales mediante el uso de un cubo con intersección de cilindros (Fig. 1.8)
estableciendo que el modelo permite una mejor relación con la estructura real [46].
El Modelo también describe las densidades intermedias, se desarrolló considerando
la distribución de tamaño de poros, definiendo qué, para un volumen de poro dado,
el radio de poro disminuye a medida que el número de poros aumenta.