Paneles de geopolímero de alta eficiencia energética: optimizando las propiedades mecánicas, térmicas y acústicas para una construcción sostenible | Informes científicos

Informes científicos volumen 15, Número de artículo: 25851 (2025) Citar este artículo

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La creciente demanda de materiales de construcción sostenibles y multifuncionales en el sector de la construcción avanzada requiere compuestos innovadores con un rendimiento mecánico, térmico y acústico superior. Este estudio se centra en analizar el potencial de los compuestos geopolímeros desarrollados con escoria granulada de alto horno (GGBS), arena de fundición residual (WFS), vermiculita y fibra de coco. Se desarrollaron cinco diseños de mezcla (M1-M5) con diferentes combinaciones de WFS (5-25 % en peso) y contenido de vermiculita (40-20 % en peso), manteniendo constante la relación líquido-aglutinante (L/B = 0,4) y el contenido de fibra de coco (5 % en peso). Los resultados de las pruebas destacan el impacto del diseño de la mezcla en el rendimiento del material. En este estudio, para las muestras M1 a M5, las densidades variaron de 1302 a 2032 kg/m³, la absorción de agua se redujo del 23 al 9%, la resistencia a la compresión mejoró de 6,52 MPa a 20,0 MPa, mientras que la resistencia a la flexión aumentó de 2,9 MPa a 7,0 MPa, lo que indica una mejor integridad estructural con el aumento de la WFS. Además, la conductividad térmica varió de 0,1222 a 0,1652 W/m·K, y los coeficientes de absorción acústica (SAC) alcanzaron un máximo de 0,41, mientras que los coeficientes de reducción de ruido (NRC) oscilaron entre 0,23 y 0,10, lo que demuestra un rendimiento térmico y acústico superior en mezclas con mayor porosidad debido a la vermiculita. Además, el estudio enfatiza la versatilidad de los compuestos de geopolímeros, que pueden adaptarse a aplicaciones específicas mediante el ajuste de las proporciones de la mezcla. Los resultados de las pruebas posicionan a los compuestos de geopolímeros como una solución prometedora para materiales de construcción sostenibles y multifuncionales en la construcción moderna.

La industria de la construcción se enfrenta principalmente a un doble reto: la aceleración de la urbanización y la mitigación del impacto ambiental. Esta ha intensificado la demanda de infraestructura, lo que ha provocado el agotamiento de los recursos naturales y un aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero. Simultáneamente, la sostenibilidad ambiental se ha convertido en una preocupación apremiante, lo que exige el desarrollo de materiales y prácticas ecológicos para mitigar la huella de carbono del sector. Dado que se espera que la población mundial supere los 9000 millones de personas para 2050, se prevé que las zonas urbanas albergarán a alrededor del 68 % de la población mundial, lo que impulsará una demanda sin precedentes de infraestructura sostenible¹. A pesar de ello, el cemento Portland, piedra angular de la construcción moderna, contribuye significativamente a las emisiones globales de CO₂, representando aproximadamente entre el 7 % y el 8 % de las emisiones totales, lo que genera 0,9 toneladas de CO₂ por cada tonelada de cemento producida^2,3. Su proceso de fabricación, que consume mucha energía, y su dependencia de la piedra caliza natural tienen profundas implicaciones ambientales, lo que subraya la urgente necesidad de alternativas sostenibles. Estos parámetros resaltan la necesidad urgente de contar con materiales de construcción nuevos, energéticamente eficientes y ambientalmente sostenibles3.

La tecnología de geopolímeros se ha reconocido como una alternativa viable a la tecnología de construcción convencional. Ofrece el doble beneficio de reducir la huella de carbono y promover una economía circular al integrar subproductos industriales como cenizas volantes, GGBS y WFS4,5,6. A diferencia del cemento Portland, los geopolímeros se formulan mediante un proceso de activación alcalina, que transforma los precursores de aluminosilicato en un compuesto estable y endurecido. Este método requiere una inversión energética significativamente menor y promueve una reducción de hasta el 80 % en las emisiones de CO₂, lo que convierte a los geopolímeros en un componente crucial en la producción de materiales de construcción ecológicos5,7.

Los geopolímeros se sintetizan mediante la activación alcalina de materiales de aluminosilicato. La escoria granulada de alto horno (GGBS) y la arena de fundición residual (WFS), subproductos metalúrgicos, desempeñan un papel fundamental en la geopolimerización. La reacción química forma geles de aluminosilicato de calcio hidratado (CASH) y aluminosilicato de sodio hidratado (NASH), responsables de la alta resistencia y durabilidad de los materiales geopoliméricos. Estudios recientes han demostrado el potencial de incorporar polvo de residuos de granito y otros subproductos para mejorar las propiedades mecánicas de los geopolímeros con diferentes molaridades de activadores8,9,10,11. Además, la importancia del movimiento alcalino en los sistemas geopoliméricos va más allá de la mejora de la resistencia; reduce la huella de carbono al permitir el uso de materiales de desecho industriales. Asimismo, la integración de fibras naturales en geopolímeros ha demostrado ser prometedora para mejorar la resistencia a la tracción, la resistencia al agrietamiento y el rendimiento general, a la vez que reduce el rechazo de material y el desperdicio10,11.

Teniendo esto en cuenta, recientemente se ha investigado la posibilidad de combinar diferentes subproductos industriales con aditivos naturales para adaptar el rendimiento del geopolímero a fines específicos. Gracias a su reactividad resiliente, se ha demostrado que el GGBS aumenta significativamente la resistencia inicial del hormigón geopolímero. Las investigaciones indican que, al incorporar GGBS con otras sustancias, su resistencia a la compresión puede aumentar hasta 80,2 MPa12. El WFS actúa como un excelente relleno que facilita la gestión de residuos, a la vez que mejora el rendimiento mecánico. Es un recurso útil en composiciones de geopolímeros, ya que su incorporación mejora la resistencia y la durabilidad13. La vermiculita ofrece aislamiento térmico y acústico gracias a su baja densidad y naturaleza porosa. Por esta característica, es un complemento perfecto para paneles de construcción ecológicos, promoviendo métodos de construcción respetuosos con el medio ambiente14. La fibra de coco y otras fibras naturales se incorporan a los compuestos de geopolímeros para mejorar su resistencia a los daños. Estas fibras de celulosa aumentan la resistencia general del material, así como su responsabilidad ambiental al reducir la contracción y el agrietamiento15.

Según estudios, los paneles de pared de geopolímero reforzado con fibra son apropiados para la construcción de edificios sostenibles, ya que poseen altas propiedades térmicas y acústicas. La integración de fibras naturales como yute, algodón, bambú y fibra de coco mejora significativamente el aislamiento térmico y acústico. Con valores de conductividad térmica de tan solo 0,316 W/m·K, el compuesto de geopolímero enriquecido con residuos biológicos e incorporando fibras de melamina ofrece un aislamiento térmico excepcional14,16. Dado que las fibras naturales aumentan la resistencia térmica y disminuyen la conductividad térmica, los materiales de geopolímero son una opción viable para la construcción energéticamente eficiente17. Estos compuestos presentan excelentes características de aislamiento acústico y valores de absorción de ruido que alcanzan hasta 0,70 a 500 Hz16. La inclusión de fibras orgánicas optimiza aún más la absorción de ruido, en particular al reducir la propagación del sonido de impacto a bajas frecuencias. Como los geopolímeros presentan propiedades superiores de aislamiento térmico y acústico, como lo demuestran investigaciones previas, los hace adecuados para aplicaciones energéticamente eficientes y de reducción de ruido en la construcción. Estos atributos, combinados con su rentabilidad y su dependencia de subproductos industriales, posicionan a los geopolímeros como una alternativa sostenible capaz de lograr economías sectoriales18. Además, según estudios previos, las funcionalidades térmicas y acústicas de los paneles de pared de geopolímero se pueden mejorar mediante diversas modificaciones y diseños de mezclas de materiales. Estos estudios subrayan la idoneidad de los materiales de geopolímero para aplicaciones de construcción energéticamente eficientes y con reducción de ruido, lo que promueve aún más su adopción en el sector19. Si bien el refuerzo con fibra mejora las características térmicas y acústicas, es necesario realizar estudios adicionales para garantizar la longevidad de los materiales en diversos escenarios de construcción debido a su impacto ambiental y durabilidad a largo plazo.

Además de la sostenibilidad, los geopolímeros promueven excelentes propiedades funcionales que mitigan las necesidades de la construcción avanzada de eficiencia energética. Por ejemplo, los compuestos de espuma de geopolímero que integran aerogel de sílice alcanzan una conductividad térmica mínima de 0,133 W/(m·K), exhibiendo potenciales de aislamiento térmico excepcionales20. La adición de grandes partículas de aerogel de sílice en la espuma de geopolímero mejora la absorción acústica, con un coeficiente de absorción medio de 0,5120, mientras que el diseño de paneles reforzados con fibra, que integran capas de alta absorción acústica, conduce a un aislamiento acústico eficaz21. Además, un estudio previo muestra que los paneles de geopolímero exhiben coeficientes de absorción acústica que van de 0,7 a 1,0 a frecuencias más bajas (40-150 Hz) y de 0,1 a 0,3 a frecuencias más altas (800-1600 Hz)21. La integración del contenido de fibras mejora aún más la absorción acústica, con una dosis mínima que alcanza un coeficiente medio de 0,5120.

A medida que la industria de la construcción ha adoptado cada vez más los geopolímeros como alternativas sostenibles a los materiales tradicionales a base de cemento, su aplicación en elementos estructurales como los paneles de pared sigue siendo poco explorada. Las lagunas en la investigación incluyen un enfoque limitado en los paneles de pared, con mínima atención a desafíos únicos como la capacidad de carga, el aislamiento térmico y la reducción del ruido; investigación insuficiente del rendimiento en condiciones ambientales realistas, incluyendo variaciones de temperatura, humedad y durabilidad a largo plazo22; y una falta de estudios sobre la integración de subproductos industriales como GGBS y WFS para mejorar el rendimiento. Además, la investigación existente a menudo aísla propiedades como la resistencia a la compresión, lo que subraya la necesidad de evaluaciones holísticas del rendimiento mecánico, térmico y acústico23. Este estudio aborda estas lagunas al proponer un nuevo diseño de mezcla de geopolímeros que incorpora GGBS y WFS para garantizar la resistencia, la durabilidad y la sostenibilidad; evaluar el rendimiento multifuncional en condiciones de laboratorio y simuladas; enfatizar la sostenibilidad mediante el uso de subproductos industriales para reducir la huella de carbono; y cerrar la brecha entre la investigación de laboratorio y las aplicaciones en el mundo real. Estos esfuerzos tienen como objetivo avanzar en la comprensión de los paneles de pared de geopolímero y su potencial transformador para la construcción sostenible.

Esta investigación se centra principalmente en el desarrollo y la evaluación de paneles de geopolímero para muros energéticamente eficientes mediante la variación sistemática del diseño de la mezcla. En este estudio, se desarrollaron cinco diseños de mezcla de geopolímeros, variando las proporciones de WFS y vermiculita, manteniendo constantes las proporciones de GGBS y fibra de coco. Los parámetros clave evaluados incluyen:

Densidad: Influye en la estabilidad estructural y el peso del material, impactando directamente en los requerimientos energéticos de transporte e instalación.

Absorción de Agua: Indica la porosidad y durabilidad del material, esencial para evaluar su resistencia a la degradación ambiental.

Resistencia a la compresión y a la flexión: Mide la capacidad de carga y la robustez mecánica, críticas para aplicaciones estructurales.

Conductividad térmica y resistencia: determina las capacidades de aislamiento del material, abordando la necesidad de una construcción energéticamente eficiente.

Rendimiento acústico: evaluados a través del coeficiente de absorción acústica y el coeficiente de reducción de ruido (NRC), estos parámetros contribuyen a la comodidad de los ocupantes y a la mitigación del ruido.

Los hallazgos de este estudio demuestran el potencial de los compuestos de geopolímeros como materiales de construcción multifuncionales que satisfacen la creciente demanda de infraestructuras sostenibles y energéticamente eficientes. En comparación con los materiales tradicionales, los paneles de geopolímero desarrollados presentan un aislamiento térmico, un rendimiento acústico y unas propiedades mecánicas superiores, ofreciendo una solución versátil para los desafíos de la construcción moderna. Además de sus contribuciones técnicas, esta investigación se alinea con los objetivos globales de sostenibilidad al enfatizar la eficiencia de los recursos y la valorización de residuos. Al incorporar subproductos industriales y fibras naturales renovables, el estudio apoya los esfuerzos para minimizar los residuos en vertederos, reducir la huella de carbono y conservar los recursos naturales. Los resultados destacan la escalabilidad de la tecnología de geopolímeros, desde la investigación de laboratorio hasta las aplicaciones prácticas, demostrando su potencial transformador en la industria de la construcción.

Los materiales utilizados en este estudio se seleccionaron por su papel complementario en la mejora de las propiedades térmicas y acústicas de los paneles de pared de geopolímero. Las materias primas, como el GGBS, se adquirieron de RR Enterprices, Chennai, y son un subproducto del proceso de alto horno utilizado en la fabricación de hierro. El GGBS sirvió como aglutinante principal debido a su excelente reactividad y a su contribución al desarrollo de la resistencia mediante la geopolimerización. Otro material, el WFS, procedente de la industria local de fundición de acero, se incorporó como relleno para mejorar la densidad y la resistencia mecánica de la mezcla, aprovechando su tamaño de partícula uniforme y sus características inertes. Se añadió vermiculita, procedente de un proveedor comercial, un material ligero con excelentes propiedades de aislamiento térmico, para reducir la conductividad térmica. La vermiculita se incorpora a la mezcla de geopolímero para mejorar el aislamiento térmico. Su estructura en capas y su baja conductividad térmica reducen significativamente la transferencia de calor a través del material, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren materiales de construcción energéticamente eficientes24. La Tabla 1 muestra la distribución del tamaño de partícula y la Tabla 2 la composición mineral del GGBS, el vermiculado y el WFS. La distribución del tamaño de partícula y la composición química de los materiales utilizados en este estudio influyen significativamente en sus funciones y eficacia en aplicaciones de geopolímeros. El GGBS, con un tamaño de partícula que varía de 1 a 100 micras y un tamaño medio (D50) de entre 10 y 30 micras, se muele finamente para lograr un área de superficie específica de 500 a 700 m²/kg25. Este tamaño de partícula fino mejora su reactividad, lo que lo hace muy aplicable para reacciones cementosas y geopolimerización. Químicamente, el GGBS contiene entre un 30 % y un 50 % de sílice (SiO₂), entre un 6 % y un 13 % de alúmina (Al₂O₃) y entre un 30 % y un 50 % de óxido de calcio (CaO), que en conjunto contribuyen a sus propiedades puzolánicas e hidráulicas latentes. Los componentes menores incluyen óxido de magnesio (2 % a 10 %) y trazas de otros compuestos como SO₃ y TiO₂.

La vermiculita, un mineral filosilicato conocido por su estructura laminar, presenta un rango de tamaño de partícula más amplio, de 50 a 2000 micras, con tamaños medianos de 250 a 500 micras, según el grado. Las partículas más gruesas se utilizan típicamente para aislamiento térmico, mientras que las más finas se incorporan al hormigón ligero. A diferencia del hormigón de alta densidad (GGBS), la vermiculita carece de una métrica estándar de área superficial específica, ya que su aplicación depende de sus propiedades físicas más que de su reactividad. Químicamente, la vermiculita se compone de un 30-40 % de sílice, un 15-10 % de alúmina y un 25-35 % de óxido de magnesio (MgO), lo que contribuye a sus propiedades de aislamiento térmico. También contiene óxido de hierro (15-25 %) y óxido de potasio (6-12 %), junto con trazas de impurezas como cuarzo y feldespato.

El WFS presenta un rango de tamaño de partícula de 65 a 1000 micras, con la mayoría de las partículas entre 250 y 600 micras. Este tamaño de partícula uniforme lo convierte en un sustituto viable de la arena natural en la construcción. Químicamente, el WFS se compone principalmente de sílice (60-90 %) con cantidades menores de alúmina (2-8 %), óxido de hierro (1-6 %) y otros óxidos menores. Dependiendo de su uso previo, el WFS también puede contener aglutinantes orgánicos o impurezas que requieren tratamiento antes de su incorporación a los materiales de construcción26.

Fibras de coco, provenientes de cáscaras de coco, se utilizaron como aditivos para mejorar la resistencia a la flexión y al agrietamiento, debido a su alta resistencia a la tracción y a su unión natural con la matriz de geopolímero. Otros materiales incluyeron pellets de NaOH (96% de pureza), vidrio soluble (64.5% en peso de H₂O, 26.98% en peso de SiO₂ y 8.53% en peso de Na₂O) y agua del grifo27. Antes de los experimentos, los pellets de NaOH, el vidrio soluble y el agua del grifo se mezclaron bien y se enfriaron para producir el activador alcalino. El activador alcalino consistió en una solución de silicato de sodio a hidróxido de sodio (concentración 10 M) en una proporción de 2.5:1, lo que facilitó la reacción de geopolimerización al activar el aglutinante GGBS28,29,30. La cuidadosa selección y caracterización de estos materiales garantiza sus funciones complementarias en la mejora del rendimiento mecánico, térmico y acústico de los sistemas basados en geopolímeros. GGBS contribuye a la resistencia y reactividad, la vermiculita proporciona aislamiento térmico y WFS actúa como una alternativa sostenible a la arena natural, mejorando la densidad y la fluidez.

Se formularon los compuestos con cinco diseños de mezcla (M1 a M5), variando las proporciones de WFS y vermiculita mientras se mantenía constante el contenido de GGBS y fibra de coco al 55% y 5% en peso, respectivamente. El diseño de mezcla desarrollado se detalla en la Tabla 3. Los morteros tenían una relación L/B de 0,40, una dosificación alcalina (la relación Na2O-aglutinante) del 6,0% en peso, un módulo de silicato (la relación molar SiO2-a-Na2O del activador alcalino) de 1,15. Se eligió una relación líquido-aglutinante de 0,4 con base en estudios previos para asegurar una trabajabilidad adecuada y suficiente activación del aglutinante para la geopolimerización31. Esta relación equilibra la fluidez de la mezcla con su fraguado y propiedades mecánicas32,33. Las proporciones específicas se adaptaron para evaluar los efectos del aumento del contenido de WFS y la disminución del contenido de vermiculita en el rendimiento térmico, acústico y mecánico de los paneles de geopolímero.

Inicialmente, los componentes secos (GGBS, WFS y vermiculita) se mezclan en un mezclador mecánico. Los materiales secos deben mezclarse uniformemente durante 3 a 5 minutos para evitar la segregación y asegurar la uniformidad34. Paralelamente, la solución activadora alcalina se prepara disolviendo hidróxido de sodio (NaOH) en agua para lograr una concentración de 10 M. Luego, esto se mezcla con una solución de silicato de sodio en una proporción de 2,5:1 (Na₂SiO₃: NaOH) para crear una solución altamente alcalina que activa el GGBS y la arena de fundición35. La solución alcalina se deja enfriar a temperatura ambiente antes de agregarla a la mezcla seca. El activador alcalino preparado se agrega lentamente a la mezcla seca mientras se mezcla continuamente. La proporción de líquido a aglutinante se mantiene a 0,4 para asegurar la activación adecuada de los materiales aglutinantes. La mezcla se agita completamente hasta lograr una pasta homogénea. Las fibras de coco se remojan previamente en agua durante 30 minutos para mejorar su dispersión en la mezcla y garantizar una mejor adhesión a los materiales aglutinantes. Este proceso de remojo mejora la resistencia de la unión y la durabilidad general del compuesto36. Gradualmente, la fibra de coco remojada previamente se incorpora a la pasta homogénea. Las fibras deben distribuirse uniformemente para evitar la aglomeración y garantizar un refuerzo uniforme en todo el material compuesto.

El desarrollo de paneles de pared de geopolímero implicó un proceso optimizado que comprende la preparación de materias primas (GGBS, WFS y vermiculita), la preparación de la solución alcalina, la mezcla de componentes secos y húmedos, el vaciado de las muestras en moldes, el curado a temperatura ambiente y las pruebas de propiedades mecánicas, térmicas y acústicas. Este enfoque sistemático garantiza la reproducibilidad y la escalabilidad, lo que hace que los paneles sean viables para aplicaciones prácticas. El flujo del proceso de desarrollo de paneles de pared compuestos de geopolímero se ilustra en la Fig. 1.

Proceso de fabricación de panel de pared de geopolímero37.

El material mezclado se vierte en moldes de la forma y tamaño requeridos, como cubos de 50 mm × 50 mm × 50 mm para pruebas de resistencia a la compresión, moldes de prisma (160 mm x 40 mm x 40 mm) para pruebas de flexión y tableros de partículas de 300 mm x 300 mm x 15 mm para pruebas térmicas y acústicas. Los moldes deben estar pre-aceitados o revestidos para facilitar el desmoldeo después del curado. El material mezclado se compacta en los moldes para eliminar bolsas de aire y asegurar una muestra densa y homogénea38,39,40. Las muestras se curaron durante 28 días bajo condiciones controladas para asegurar la consistencia en el proceso de geopolimerización. Específicamente, las muestras se curaron a una temperatura constante de 25 °C (± 2 °C) y una humedad relativa del 90% (± 5%). Para mantener estas condiciones, las muestras se almacenaron en una cámara de curado sellada equipada con control de humedad para evitar la pérdida de humedad durante el período de curado. Estos parámetros de curado se seleccionaron con base en prácticas estándar en la investigación de geopolímeros y para simular las condiciones de curado ambiental que se encuentran típicamente en aplicaciones de construcción. Si bien el curado a temperatura elevada (típicamente 60–90 °C durante 24–48 h) se usa ampliamente en estudios de laboratorio para acelerar la geopolimerización y mejorar la resistencia a edad temprana, el curado ambiental ha ganado atención por su aplicabilidad en escenarios del mundo real, especialmente para la construcción a gran escala donde el curado de alto consumo de energía no es práctico. Varios estudios recientes41 han demostrado la viabilidad del curado ambiental para sistemas de geopolímeros que incorporan GGBS y otros precursores reactivos, ya que estos materiales proporcionan suficiente contenido de calcio y aluminosilicato para facilitar la geopolimerización a temperatura ambiente. Después del período de curado, las muestras se almacenan en condiciones controladas (temperatura ambiente con 50% de humedad relativa) hasta la prueba.

En este estudio, se investigaron la densidad, la absorción de agua, la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión de cinco tipos de paneles de aislamiento de geopolímero con fibra integrada. Además, se registraron las características térmicas y el rendimiento acústico de los paneles de geopolímero. Para comprender mejor las características de la superficie y la sección transversal de las muestras, se observó la morfología microscópica.

Se evaluó la densidad seca de cada muestra cúbica (50 × 50 × 50 mm³) para determinar la densidad total del material, según la norma ASTM C13827. Antes del ensayo, todas las muestras se presecaron en un horno a 60 °C hasta alcanzar una masa constante. Posteriormente, se midió la masa de cada muestra con dos decimales. La ecuación 1 proporciona la fórmula para calcular la densidad aparente:

donde m representa la masa de la muestra seca (kg) y V representa el volumen de la muestra (m3).

Las pruebas de conformidad con la absorción de agua de los compuestos geopolímeros se realizaron de acuerdo con las normas ASTM C118542 y C118643. La absorción de agua es una prueba rutinaria con valores relativos. Esta prueba se realiza para determinar la tendencia de un producto a absorber agua y, en ocasiones, su uniformidad. El cumplimiento de las normas ASTM garantiza que nuestros hallazgos sean comparables con la literatura existente y cumplan con el rigor necesario para la validación científica. Además, el uso de estas normas proporciona un marco para replicar nuestros resultados, lo que mejora la aplicabilidad de nuestra investigación tanto para fines académicos como industriales. Las muestras de barras rectangulares se utilizaron como segmentos representativos de las placas. La absorción de agua (AQ) se calculó mediante la siguiente ecuación (Ec. 2):

Dónde:

\(\:{W}_{s}\) = masa saturada (g) de la muestra sumergida durante 48 ± 8 h,

\(\:{W}_{d}\) = masa seca (g) de la muestra

Los compuestos de geopolímero se sometieron a pruebas de resistencia a la compresión según la norma ASTM C10944. Se utilizaron muestras cúbicas de 50 × 50 × 50 mm que se curaron durante 28 días. La prueba de compresión se realizó con una máquina universal de ensayos con una capacidad de 2000 kN y una velocidad de desplazamiento constante de 2 mm/min. La alta precisión de la máquina universal de ensayos (UTM) garantiza resultados precisos y reproducibles, cruciales para evaluar el rendimiento mecánico del material. La resistencia a la compresión de cada muestra cúbica se determinó promediando los resultados obtenidos de tres muestras. Se evaluó la resistencia de tres réplicas de las muestras. La resistencia a la compresión se calcula mediante la siguiente fórmula: Ec. (3):

donde, P es la resistencia a la compresión (MPa), F es la carga máxima aplicada sobre la muestra (kN) y A es el área de la sección transversal de la muestra (m2).

Tras el curado, una muestra endurecida se partió por la mitad y se secó a 60 °C hasta que su masa se estabilizó. Inmediatamente después, la muestra se envasó al vacío y se enfrió a temperatura ambiente. La conductividad térmica de la muestra se midió según la norma ASTM D 5930 (2017) con el instrumento Xiatech TC3100 (0,001–20 W/(m∙K)) mediante el método de hilo caliente transitorio. Cada muestra se analizó cinco veces para comprobar la precisión requerida, y la cámara de ensayo se mantuvo a una temperatura de 25–27 °C y una humedad relativa del 45–50 %45,46.

El coeficiente de absorción acústica de los compuestos de geopolímero se evaluó mediante el método del tubo de impedancia. El principio se basó en las mediciones de la función de transferencia, como se describe en la norma GB/T 18696.2–200247. Durante la prueba, la muestra se colocó en un extremo del tubo de impedancia y el otro extremo fue la fuente sonora. Se colocaron dos micrófonos a lo largo del tubo, y se midieron por separado la presión sonora incidente y reflejada, obteniendo sus funciones de transferencia. Según la función de transferencia, se puede calcular el factor de reflexión acústica (r). La ecuación 4 proporciona la fórmula para calcular el coeficiente de absorción acústica:

El tubo de impedancia (BK 4206) utilizado en el experimento se muestra en la Fig. 2. La muestra (véase la ilustración de la Fig. 3), con un diámetro de 99 mm y una altura de 15 mm, se preparó según los requisitos de la prueba. Las superficies de la muestra se pulieron antes de comenzar la prueba. Debido a la limitación del diámetro fijo del tubo de impedancia, el rango de frecuencia de la prueba fue de 125 Hz a 6300 Hz. Cada muestra se analizó dos veces para garantizar la fiabilidad de los resultados.

Configuración experimental del tubo de impedancia de absorción de sonido.

Muestras de absorción acústica: (a). Muestra M1, (b). Muestra M2, (c). Muestra M3, (d). Muestra M4, (e). Muestra M537.

El NRC se determinó para evaluar con mayor profundidad las propiedades de absorción acústica de los compuestos. El NRC proporciona un indicador de la eficacia de la absorción acústica promediando los valores de SAC (\(\:\alpha\:)\) a frecuencias específicas (250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz y 2000 Hz), según lo descrito en la norma ASTM C42342. Esto permite comparar el rendimiento general de la absorción acústica de diferentes materiales. La ecuación 5 proporciona la fórmula para calcular el coeficiente de absorción acústica27:

.

Se realizaron observaciones morfológicas de la superficie y la sección transversal de los materiales mediante microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FESEM). Además, las muestras se cortaron en trozos pequeños y la superficie se recortó y pulió antes de la observación.

La densidad de las mezclas revela una clara tendencia influenciada por la composición del material, particularmente las proporciones de vermiculita y WFS. La Figura 4 ilustra las tendencias de densidad vs. absorción de agua. A medida que el contenido de vermiculita disminuye y el contenido de arena de fundición aumenta, la densidad de las mezclas aumenta significativamente. M1, con el contenido máximo de vermiculita (40%) y el contenido más bajo de WFS (5%), muestra la densidad más baja de 1302 kg/m³. La naturaleza ligera y porosa de la vermiculita reduce significativamente la densidad general de la mezcla. A medida que WFS reemplaza a la vermiculita en mezclas posteriores, la densidad aumenta gradualmente, lo que refleja la mayor densidad aparente de la arena de fundición en comparación con la vermiculita. M2 y M3, con una combinación intermedia de vermiculita (35% y 30%, respectivamente) y WFS (10% y 15%, respectivamente), muestran densidades medias de 1530 kg/m³ y 1576 kg/m³. Este aumento gradual resalta el efecto densificador de sustituir la vermiculita por arena de fundición, ya que la mezcla se vuelve menos porosa y más compacta28. Las densidades más altas se observan en M4 (1944 kg/m³) y M5 (2032 kg/m³), donde el contenido de vermiculita está en su nivel más bajo (25% y 20%, respectivamente) y el contenido de arena de fundición está en su nivel más alto (20% y 25%, respectivamente)48. El marcado aumento de la densidad en estas mezclas subraya el predominio de la estructura más densa de la arena de fundición, que compensa la contribución ligera de la vermiculita. Estos hallazgos son fundamentales para determinar la idoneidad de las mezclas para diversas aplicaciones. M1 y M2, con densidades más bajas, son ideales para aplicaciones ligeras, como paneles no estructurales o capas de aislamiento donde la reducción de la carga muerta es una prioridad49. Por el contrario, M4 y M5, con sus mayores densidades, son más adecuados para aplicaciones estructurales o áreas que requieren mayor resistencia mecánica, ya que la mayor densidad se correlaciona con una mejor capacidad de carga48.

Densidad seca y absorción de agua.

Las características de absorción de agua de las mezclas demuestran una dependencia significativa de la composición del material, particularmente del equilibrio entre vermiculita y WFS. A medida que la proporción de vermiculita disminuye y el contenido de WFS aumenta, la absorción de agua se reduce notablemente. La muestra M1, con el contenido máximo de vermiculita (40%), muestra la tasa de absorción de agua más alta en 23%. La naturaleza altamente porosa de la vermiculita permite que el compuesto tienda a retener el agua. Además, la naturaleza hidrófila de la vermiculita también conduce a su alta capacidad de absorción de agua, lo que hace que las mezclas con una mayor proporción de este material sean más propensas a la retención de humedad. A medida que el contenido de vermiculita se reduce gradualmente en M2 (35%) y M3 (30%), y el contenido de arena de fundición aumenta a 10% y 15%, respectivamente, la absorción de agua disminuye a 22% y 19%. Esta tendencia refleja la porosidad reducida y la mayor compacidad de las mezclas, ya que la arena de fundición, al ser menos porosa, limita la capacidad general de retención de agua. Los valores más bajos de absorción de agua se observan en M4 (12%) y M5 (9%), que contienen el contenido más bajo de vermiculita (25% y 20%) y el contenido más alto de arena de fundición (20% y 25%). La estructura densa de la arena de fundición y las características mínimas de retención de agua contribuyen significativamente a la reducción de la absorción de agua en estas mezclas50. Además, la mayor compactación y la reducción de los espacios vacíos en estas mezclas mejoran aún más su resistencia a la entrada de agua. Estos resultados tienen implicaciones prácticas para la aplicación de las mezclas en la construcción. Las mezclas con mayor absorción de agua, como M1 y M2, pueden ser adecuadas para aplicaciones donde la interacción de la humedad es menos crítica o donde se pueden aplicar recubrimientos adicionales para mitigar la entrada de agua. Por el contrario, las mezclas con menor absorción de agua, como M4 y M5, son más adecuadas para entornos donde la resistencia a la humedad es esencial, como en estructuras exteriores o expuestas al agua28,49. Es evidente una fuerte relación inversa entre la densidad y los valores de absorción de agua en todas las mezclas. El aumento del contenido de WFS en las mezclas resultó en una mayor densidad debido a su gravedad específica relativamente alta en comparación con la vermiculita. Simultáneamente, el requerimiento de agua disminuyó, ya que las partículas de WFS redujeron los espacios vacíos y mejoraron la densidad de empaquetamiento. Este comportamiento destaca la capacidad de WFS para mejorar la compacidad en la matriz geopolimérica, optimizando al mismo tiempo el uso del agua. A medida que aumenta la densidad, la absorción de agua disminuye, lo que refleja la densificación y la reducción de la porosidad de la matriz geopolimérica. Esta relación enfatiza el papel de la selección de agregados y la dosificación de la mezcla para lograr las características de rendimiento deseadas en los compuestos geopoliméricos.

Los resultados de resistencia a la compresión para las mezclas, que se muestran en la Fig. 5, revelan una clara progresión a medida que se ajustan las proporciones de vermiculita y arena de fundición (WFS), con un aumento significativo de la resistencia al disminuir el contenido de vermiculita y aumentar el de WFS. Esto resalta la influencia de la composición del material en el desempeño estructural de las mezclas. M1 y M2, con el mayor contenido de vermiculita (40% y 35%, respectivamente), muestran las resistencias a la compresión más bajas, con 6,52 MPa y 6,6 MPa, respectivamente. El material de vermiculita ligero y poroso conduce a una menor densidad de la mezcla y, en consecuencia, a una menor resistencia. Si bien estos valores pueden limitar su aplicación en elementos estructurales, estas mezclas podrían ser útiles en aplicaciones no portantes, como paneles de aislamiento térmico o tabiques ligeros28,49. A medida que disminuye el contenido de vermiculita y aumenta el de WFS en M3 (30% de vermiculita, 15% de arena de fundición), la resistencia a la compresión aumenta significativamente hasta 9 MPa. Esta mejora refleja la mayor densificación de la mezcla, ya que WFS contribuye a una matriz más compacta y más fuerte capaz de soportar cargas más elevadas.

Resistencia a la compresión.

La tendencia se acentúa en M4 y M5, donde el contenido de vermiculita se reduce al 25% y al 20%, y el contenido de WFS aumenta al 20% y al 25%, respectivamente. Estas mezclas alcanzan las mayores resistencias a la compresión, con M4 alcanzando 19,2 MPa y M5 alcanzando 20 MPa. La mejora sustancial en la resistencia se debe a la mayor densidad y a la menor porosidad de las mezclas, así como a la mejora del empaquetamiento y la unión de las partículas proporcionada por el mayor contenido de arena de fundición. Los resultados indican que M4 y M5 son muy adecuados para aplicaciones estructurales donde la resistencia es un requisito crítico, como en muros de carga o sistemas de suelos. Por el contrario, M1 y M2, si bien presentan una resistencia a la compresión más débil, podrían ser ventajosos para aplicaciones de peso ligero y aislamiento térmico donde la resistencia es menos crítica28,49. En conclusión, los datos de resistencia a la compresión subrayan las compensaciones entre la resistencia y las propiedades de peso ligero al diseñar mezclas con proporciones variables de vermiculita y arena de fundición. La resistencia a la compresión de las mezclas aumentó con una mayor relación GGBS/WFS, debido a una mejor geopolimerización. Sin embargo, las mezclas con mayor contenido de vermiculita mostraron una mayor pérdida de peso durante las pruebas térmicas debido a su estructura estratificada y sus propiedades de retención de humedad. Este equilibrio entre resistencia y estabilidad térmica demuestra la necesidad de un equilibrio en el diseño de materiales. Estos hallazgos permiten la optimización de materiales con base en criterios de rendimiento específicos, lo que facilita la selección de mezclas adaptadas a diversas necesidades de construcción.

Los resultados de resistencia a la flexión indican una mejora constante en la capacidad del material para resistir tensiones de flexión a medida que la composición de la mezcla pasa de un mayor contenido de vermiculita a un mayor contenido de WFS, como se ilustra en la Fig. 6. La tendencia refleja los resultados de resistencia a la compresión, lo que refuerza el papel de la composición del material en la determinación del rendimiento mecánico.

M1, con el mayor contenido de vermiculita (40%), presenta la menor resistencia a la flexión, con 2,9 MPa. La estructura ligera y porosa de la vermiculita reduce la densidad general de la matriz y limita su capacidad para resistir fuerzas de tracción durante la flexión. Si bien su rendimiento a la flexión es menor, esta mezcla podría ser adecuada para aplicaciones donde se priorizan la flexibilidad y la ligereza sobre la resistencia. En M2, donde el contenido de vermiculita se reduce ligeramente al 35% y se aumenta la arena de fundición al 10%, la resistencia a la flexión mejora a 3,3 MPa. Este aumento destaca la densificación inicial de la mezcla, ya que la arena de fundición comienza a contribuir a un mejor empaquetamiento de partículas y distribución de la carga dentro de la matriz. M3, con 30% de vermiculita y 15% de arena de fundición, demuestra un aumento adicional en la resistencia a la flexión, hasta 4,1 MPa. La sustitución gradual de vermiculita por arena de fundición mejora la integridad estructural de la matriz, permitiéndole soportar mayores fuerzas de flexión. Las mejoras más notables se observan en M4 y M5, con resistencias a la flexión de 5,2 MPa y 7,0 MPa, respectivamente. Estas mezclas contienen el menor contenido de vermiculita (25 % y 20 %) y el mayor contenido de arena de fundición (20 % y 25 %). La arena de fundición, al ser más densa y menos porosa, mejora significativamente la adhesión dentro de la matriz, lo que contribuye a una mayor resistencia a las tensiones de flexión. Además, el aditivo de fibra de coco (5 % en todas las mezclas) probablemente proporciona refuerzo, puenteando grietas y mejorando la resistencia a la tracción de las mezclas, siendo su efecto más pronunciado en matrices más densas.

Resistencia a la flexión.

Los resultados sugieren que M4 y M5 son adecuados para aplicaciones donde tanto la resistencia a la compresión como a la flexión son críticas, como en pisos, techos o paneles estructurales. Por otro lado, M1, M2 y M3 pueden encontrar utilidad en roles estructurales menos exigentes o donde se priorizan las propiedades ligeras y la facilidad de manejo. En resumen, el análisis de resistencia a la flexión enfatiza la importancia de optimizar el equilibrio entre vermiculita y arena de fundición para lograr las propiedades mecánicas deseadas. Además, la energía flexural de las muestras aumentó proporcionalmente con la densidad, ya que las matrices más densas exhibieron una mayor resistencia al agrietamiento. Las mezclas con un mayor contenido de WFS tuvieron una energía flexural mejorada debido a un mejor empaquetamiento de partículas, lo que restringió la propagación de grietas bajo cargas de flexión. Además, el papel de la fibra de coco en la mejora del comportamiento a la tracción también subraya el potencial de las fibras naturales para mejorar el rendimiento a la flexión de los materiales de construcción ligeros y sostenibles.

Los resultados de la prueba de absorción acústica revelan que todas las mezclas exhiben un excelente rendimiento en un amplio rango de frecuencias, como se muestra en la Fig. 7. En la frecuencia más baja de 125 Hz, todas las mezclas muestran una absorción uniforme (0,0), lo que indica que la composición del material no afecta significativamente el rendimiento a frecuencias muy bajas. A 250 Hz, surgen ligeras variaciones, donde M2 alcanza el coeficiente más alto (0,06), lo que sugiere que el aumento del contenido de arena de fundición mejora ligeramente la absorción en este rango. En frecuencias de rango medio (500 Hz a 1000 Hz), M1 demuestra el mejor rendimiento, alcanzando un pico a 1000 Hz con un coeficiente de 0,41. Este resultado indica que un mayor contenido de vermiculita mejora la absorción en este rango crítico53,54,55. Sin embargo, a medida que el contenido de vermiculita disminuye (M3 a M5), se observa una ligera reducción en la absorción, donde M5 muestra el coeficiente más bajo (0,22) a 1000 Hz. Estos hallazgos resaltan la importancia de la estructura porosa de la vermiculita en la absorción del sonido de frecuencia media.

Rendimiento acústico.

A frecuencias más altas (2000 Hz a 6300 Hz), los coeficientes de absorción se mantienen relativamente constantes en todas las mezclas. M1 y M2, con mayor contenido de vermiculado, muestran un rendimiento ligeramente mejor a frecuencias como 4000 Hz y 5000 Hz, alcanzando coeficientes de 0,16 y 0,11, respectivamente. Esta mejora probablemente se deba a la mayor densidad y rigidez que imparte la arena de fundición, que mejora la absorción del sonido de alta frecuencia. El diseño de la mezcla demuestra que la vermiculita desempeña un papel dominante en la absorción del sonido de frecuencia media, mientras que la arena de fundición contribuye de forma más significativa al rendimiento de alta frecuencia. M2 logra un equilibrio óptimo, mostrando una alta absorción constante en todas las frecuencias. Para aplicaciones que requieren un mejor control del ruido de frecuencia media, son preferibles M1 y M2, mientras que M4 y M5 son más adecuados para entornos con problemas de ruido de alta frecuencia, como los entornos industriales54,55. En este estudio, los coeficientes de absorción acústica aumentaron con un mayor contenido de vermiculita debido a su estructura porosa, que atrapaba eficazmente las ondas sonoras. Por el contrario, un mayor contenido de WFS redujo la absorción acústica, ya que la estructura más densa de WFS reflejaba las ondas sonoras en lugar de absorberlas. Estos hallazgos proporcionan información valiosa para adaptar las composiciones de los materiales a los requisitos específicos de rendimiento acústico.

Los valores de NRC para las mezclas de geopolímeros demuestran el rendimiento acústico de los materiales en la absorción acústica en diferentes composiciones, como se ilustra en la Fig. 8. Los valores disminuyen gradualmente de 0,23 (M1) a 0,10 (M5), lo que subraya el impacto del diseño de la mezcla en las propiedades de absorción acústica. Los valores de NRC para las mezclas M1 (0,23) y M2 (0,22) muestran las mayores propiedades de absorción acústica. Esto se debe a su mayor contenido de vermiculita (40 % y 35 %), que ofrece una estructura porosa que favorece la absorción acústica18,56. Al ser una vermiculita ligera y altamente porosa, mejora potencialmente la disipación de la energía acústica.

Coeficiente de reducción de ruido.

Las mezclas M3 (0,17) y M4 (0,14) muestran valores de NRC ligeramente inferiores en comparación con M1 y M2. A medida que disminuye el contenido de vermiculita y aumenta el de WFS, la estructura porosa del material se vuelve más densa, lo que reduce su capacidad de absorción acústica. Si bien siguen siendo eficaces, estas mezclas demuestran un equilibrio entre la resistencia mecánica y el rendimiento acústico. M5 presenta el valor de NRC más bajo, 0,10. Este resultado concuerda con su composición, donde el contenido de vermiculita es mínimo (20 %) y el de arena de fundición es máximo (25 %). La densificación de la mezcla mejora la resistencia, pero compromete la estructura de poro abierto necesaria para una alta absorción acústica. Los valores de NRC en todas las mezclas indican que un mayor contenido de vermiculita contribuye a una mayor reducción del ruido, mientras que el aumento de la proporción de arena de fundición da como resultado un material más compacto con una menor capacidad de absorción acústica27,57. Estos hallazgos sugieren que mezclas como M1 y M2 son ideales para aplicaciones que requieren una alta reducción del ruido, como paneles acústicos o barreras de aislamiento acústico. Por el contrario, M4 y M5 son más adecuados para entornos donde se prioriza la resistencia y la durabilidad sobre el rendimiento acústico. El estudio destaca la versatilidad de estos materiales geopolímeros, que pueden adaptarse a aplicaciones específicas ajustando las proporciones de su mezcla.

El rendimiento térmico de los compuestos se analiza en función de su conductividad térmica y resistencia térmica, lo que facilita la comprensión de su potencial de transferencia de calor y las capacidades de aislamiento se ilustran en la Fig. 9. Los resultados de la prueba enfatizan una relación clara entre la composición del material de las mezclas y su rendimiento térmico. La conductividad térmica aumenta de 0,1222 W/m·K (M1) a 0,1652 W/m·K (M2), destacando que la adición gradual de vermiculita con arena de fundición conduce a mayores tasas de transferencia de calor58. La vermiculita, un material poroso y de baja conductividad térmica bien conocido, juega un papel vital en la reducción de la transferencia de calor. A medida que disminuye el contenido de vermiculita y aumenta el contenido más denso de arena de fundición, la conductividad térmica aumenta debido a la mayor densidad y la menor porosidad de las mezclas. La resistencia térmica es la inversa de la conductividad térmica, mostrando una tendencia descendente desde 0,2758 m²·K/W (M1) hasta 0,1512 m²·K/W (M5). Esta propiedad se corresponde con los cambios en la conductividad térmica, ya que una mayor conductividad resulta en una menor resistencia59,60. M1, con el mayor contenido de vermiculita (40%), presenta la mayor resistencia térmica, lo que la convierte en el aislante más eficaz entre las mezclas. Por otro lado, M5, con el menor contenido de vermiculita (20%) y el mayor contenido de arena de fundición (25%), presenta la menor resistencia térmica, lo que indica una menor capacidad de aislamiento.

Conductividad térmica versus resistencia térmica.

Los resultados subrayan las compensaciones entre la conductividad térmica y la resistencia en el diseño de la mezcla. Las mezclas con mayor contenido de vermiculita, como M1 y M2, son más adecuadas para aplicaciones que requieren un aislamiento térmico superior, como paneles de pared energéticamente eficientes o capas de aislamiento en la construcción. Por el contrario, las mezclas con mayor contenido de arena de fundición, como M4 y M5, son más adecuadas para aplicaciones donde se desea una mayor conductividad térmica, como capas de disipación de calor en entornos industriales o de alta temperatura60,61. En resumen, las características térmicas de las mezclas resaltan el papel crítico de la vermiculita en la mejora del rendimiento del aislamiento, mientras que la arena de fundición aumenta las tasas de transferencia de calor. Los valores de conductividad térmica disminuyeron con el aumento del contenido de vermiculita, ya que su baja conductividad térmica actuó como aislante. Por el contrario, un mayor contenido de WFS resultó en una mayor conductividad térmica debido a su estructura densa y sólida, que facilitó la transferencia de calor.

El rendimiento térmico de los compuestos geopolímeros se atribuye a la baja conductividad térmica de la vermiculita y a la estructura porosa de la matriz. Los mecanismos que subyacen a la transferencia de calor en estas mezclas de geopolímeros pueden explicarse considerando las contribuciones de la conducción, la convección y la radiación. La estructura en capas de la vermiculita y su baja densidad impiden la conducción térmica, mientras que las bolsas de aire dentro de la matriz interrumpen aún más las vías térmicas, reduciendo la conductividad térmica general. Los hallazgos de Berkouche, Amirouche et al.62 revelan que la introducción de rellenos ligeros y estructuras porosas minimiza eficazmente la transferencia de calor al reducir la conducción en fase sólida y mejorar la resistencia térmica del compuesto. De forma similar al papel de las fibras de lino en el estudio citado, la vermiculita en nuestras mezclas proporciona una barrera adicional al flujo de calor al reforzar la matriz, manteniendo al mismo tiempo sus propiedades aislantes. Estos hallazgos permiten una selección de materiales específica en función de los requisitos específicos de rendimiento térmico en aplicaciones de construcción e industriales.

La microestructura de la muestra M1 se caracteriza por una matriz compuesta altamente porosa, principalmente debido al alto contenido de vermiculita. Al ser un material ligero y poroso, presenta importantes vacíos y discontinuidades dentro de la matriz. La Figura 10 muestra la microestructura de las muestras M1 a M5. Además, las imágenes de SEM muestran una débil unión de partículas entre GGBS y vermiculita, con una mínima densificación de los productos de hidratación. Las fibras de coco parecen estar incrustadas y rodeadas de microvacíos, lo que reduce su capacidad de carga. Esta estructura porosa conlleva una reducción de la resistencia a la compresión y a la flexión registrada en los ensayos mecánicos. Con la reducción de vermiculita y el aumento del contenido de WFS, la muestra M2 muestra un mayor empaquetamiento de partículas con una porosidad mínima en comparación con M1. Las imágenes de SEM probablemente muestran una mejor unión y las fibras de coco probablemente estén más incrustadas en la matriz, pero el contenido de vermiculita sobrante aún provoca algunas discontinuidades y una hidratación inadecuada63. Esta microestructura de transición concuerda con la ligera mejora de la resistencia y la densidad en comparación con M1.

Se observa una mayor reducción de la porosidad en la muestra M3, como se observa en las imágenes de SEM, con una mejor compacidad de la matriz. Las partículas de arena de fundición están distribuidas uniformemente y ligeramente compactadas con partículas de GGBS, lo que reduce los vacíos. Sin embargo, el contenido remanente de vermiculita produce algunos microvacíos que se observan agrupados en regiones específicas. La interacción entre los productos de hidratación de GGBS y las fibras de coco es más pronunciada, lo que resulta en una mayor capacidad de carga. Estos hallazgos coinciden con los de las pruebas mecánicas, ya que se registró una mayor resistencia a la flexión y a la compresión64,65,66.

Análisis microscópico (FeSEM) (a) Muestra M1, (b) Muestra M2, (c) Muestra M3,.

d) Muestra M4, e) Muestra M5.

Las imágenes de SEM para M4 muestran una posible reducción de la porosidad, con un compuesto bien compactado. La presencia de partículas WFS predomina en la microestructura, y los productos de hidratación forman una unión continua en la matriz con mínimos vacíos. La influencia de la vermiculita en la porosidad se minimiza, resultando en una microestructura más cohesiva y densa. Las fibras de coco aparecen firmemente ancladas en la matriz, con menos microvacíos a su alrededor, lo que mejora la resistencia a la tracción. Estas observaciones son consistentes con las notables mejoras de la mezcla tanto en la resistencia a la compresión como a la flexión. El análisis de SEM de M5 revela la matriz más densificada de todas las mezclas. El mayor contenido de arena de fundición garantiza mínimos vacíos, y la interacción entre los productos de hidratación de GGBS y los materiales de relleno es altamente eficiente. Por el contrario, las mezclas con mayor contenido de vermiculita presentaron estructuras porosas, lo que contribuyó a un mejor aislamiento térmico y acústico, pero redujo la resistencia a la compresión. La distribución de productos de hidratación, como el silicato de calcio hidratado (CSH), fue más uniforme en las mezclas con mayor contenido de GGBS. Además, en mezclas con mayor contenido de arena de fundición, se observó que la formación de productos de hidratación estaba más localizada alrededor de las partículas de WFS. Esto condujo al desarrollo de una matriz de geopolímero compacta. Sin embargo, un exceso de WFS redujo la disponibilidad de GGBS reactivo, lo que dificultó ligeramente el proceso general de geopolimerización. Las proporciones óptimas de WFS promovieron una hidratación equilibrada, lo que contribuyó a un mejor rendimiento mecánico. Sin embargo, la contribución de la vermiculita a la porosidad es insignificante con este bajo contenido, lo que resulta en una estructura compacta y homogénea64,66. Las fibras de coco están bien integradas en la matriz, con mínimos huecos o grietas por extracción, lo que contribuye al superior rendimiento mecánico observado. Las micrografías SEM probablemente muestran una estructura continua y densa, lo que explica las mayores resistencias a la compresión y a la flexión, así como la menor absorción de agua en esta mezcla.

Tabla 4, énfasis en la comparación de la densidad aparente, resistencia a la compresión, conductividad térmica y desempeño acústico de varios materiales de construcción, además con el presente estudio, geopolímero basado en GGBS, contra otros materiales derivados de cenizas volantes, cemento Portland, yeso y compuestos basados en biomasa. El estudio actual explora un rango de densidad aparente de 1302–2032 kg/m³, colocándolo en un rango medio entre materiales ligeros como aserrín/geopolímero (334 kg/m³)37 y tablero de cemento Portland convencional (2150–2550 kg/m³)67,68. Esto promueve su aplicabilidad como un material de peso medio ligero mientras preserva la integridad estructural. El aumento en la densidad aparente cuando se compara con geopolímeros basados en cenizas volantes (410–750 kg/m³)67,68 y compuestos basados en biomasa propone una densidad de empaquetamiento mejorada y una porosidad reducida.

La resistencia a la compresión de este estudio aumenta de 6,52 a 20 MPa, lo que destaca a los compuestos ligeros como la paja de trigo/geopolímero37 (0,77 MPa) y el aserrín/geopolímero (1,25 MPa). Su resistencia es comparable a la de las placas de yeso (4,34-5,36 MPa), el cemento de cascarilla de arroz (9,34 MPa) y las placas de cemento Portland (17 MPa). El geopolímero posee una resistencia a la compresión comparativamente alta, que, junto con su menor densidad aparente, lo convierte en un sustituto competitivo para aplicaciones ligeras y de carga media55,69,70,71.

Al comparar la conductividad térmica de este estudio (0,1222–0,1652 W/m·K), en algunos casos es inferior a la de otros materiales como el panel de yeso (0,17–0,19 W/m·K) y el cemento de cascarilla de arroz (0,3554 W/m·K)67,68. Esto enfatiza la corriente asegurada como material térmicamente eficiente. Destaca las excepcionales propiedades de aislamiento en comparación con los paneles de cemento Portland (1,05 W/m·K), lo que lo hace adecuado para la construcción energéticamente eficiente. Además, su propiedad térmica es comparable con materiales basados en biomasa como el miscanto/cemento (0,0998 W/m·K) y la cascarilla de arroz/geopolímero (0,107 W/m·K)37,69.

El rendimiento acústico del presente estudio, con un coeficiente de absorción acústica de 0,41, supera el de muchos materiales convencionales y alternativos, como los geopolímeros a base de cenizas volantes (0,23) y las placas de yeso (0,2)55,69. Sin embargo, materiales como el aserrín/geopolímero y la cáscara de arroz/geopolímero exploran una mayor absorción acústica (0,56-0,71 en rangos de frecuencia específicos)37,71. El presente estudio facilita una combinación óptima de rendimiento acústico y estructural, lo que lo hace viable para aplicaciones multifuncionales.

Los resultados demuestran una interacción equilibrada entre la resistencia térmica y el rendimiento mecánico, determinada por las proporciones de vermiculita y arena blanca de fundición (WFS) en la mezcla. Un mayor contenido de vermiculita mejora la resistencia térmica gracias a sus excelentes propiedades aislantes, pero reduce la resistencia mecánica debido a su estructura porosa. Por el contrario, las mezclas con mayor contenido de WFS presentan una resistencia superior a la compresión y a la flexión, pero una menor resistencia térmica. Entre los diseños probados, una proporción de 30:15 de vermiculita a WFS (Mix M3) resultó ser óptima, ofreciendo una combinación equilibrada de estas propiedades críticas para aplicaciones multifuncionales. Este equilibrio resalta la versatilidad de las mezclas propuestas en diversos escenarios de construcción. Las mezclas con mayor contenido de WFS, caracterizadas por su mayor resistencia mecánica, son adecuadas para componentes estructurales como tabiques y elementos portantes ligeros. Por otro lado, las mezclas con mayor contenido de vermiculita, que ofrecen un excelente aislamiento térmico y acústico, son ideales para aplicaciones no estructurales, incluyendo paneles aislantes de pared y materiales de insonorización. El diseño de doble propósito amplía significativamente la utilidad del material, permitiéndole satisfacer diversos requisitos de construcción. El diseño mejorado de la mezcla subraya la importancia de adaptar la composición del material a las demandas específicas de rendimiento. Mediante un cuidadoso ajuste de las proporciones de vermiculita y WFS, las mezclas logran una combinación óptima de propiedades térmicas, acústicas y mecánicas, lo que las hace idóneas para prácticas de construcción energéticamente eficientes y sostenibles. Además, el uso de subproductos industriales en el diseño mejora la rentabilidad y promueve la economía circular, contribuyendo tanto a la sostenibilidad ambiental como a las necesidades de la construcción moderna.

Las investigaciones futuras podrían centrarse en mejorar la estabilidad térmica de las mezclas propuestas mediante la incorporación de nanomateriales avanzados, como aerogeles o nanopartículas de sílice, para mejorar las propiedades de aislamiento sin comprometer la resistencia mecánica. Además, estudiar la durabilidad a largo plazo de estas mezclas en condiciones extremas, como ciclos de congelación-descongelación, alta humedad y fluctuaciones de temperatura, es esencial para evaluar su rendimiento en entornos hostiles. Optimizar la activación alcalina mediante la exploración de activadores y métodos de activación alternativos podría refinar aún más el proceso de geopolimerización, adaptando las propiedades del material a aplicaciones específicas. La incorporación de fibras naturales o sintéticas ofrece el potencial de mejorar la tenacidad, la resistencia al agrietamiento y la ductilidad, manteniendo al mismo tiempo la resistencia térmica. Finalmente, realizar evaluaciones integrales del ciclo de vida ayudaría a cuantificar los beneficios ambientales de las mezclas propuestas, demostrando su sostenibilidad en comparación con los materiales de construcción convencionales72,73.

El presente estudio explora una nueva mezcla para equilibrar las propiedades mecánicas, térmicas y acústicas. Además, la resistencia a la compresión y el rendimiento térmico de este estudio son excepcionales con numerosos compuestos a base de biomasa, mientras que sus propiedades acústicas son excelentes con respecto a materiales convencionales como placas de yeso y cemento. En comparación con los geopolímeros a base de cenizas volantes, los compuestos del presente estudio mejoran la resistencia y la densidad, lo que los convierte en un material más exigente para una amplia gama de aplicaciones de construcción.

Los compuestos de geopolímero analizados en este estudio muestran potencial para aplicaciones multifuncionales sostenibles y energéticamente eficientes en la industria de la construcción. Los resultados de las pruebas exploran que, al modificar la combinación de vermiculita y WFS, el compuesto puede lograr un equilibrio entre rendimiento mecánico, térmico y acústico. Los hallazgos técnicos clave de este estudio se resumen a continuación:

La resistencia a la compresión varía de 6,52 MPa a 20,0 MPa. La mejora de la resistencia, sujeta al incremento de la WFS, facilitó un mejor empaquetamiento de partículas y la densificación del compuesto. La resistencia a la flexión aumenta de 2,9 MPa a 7,0 MPa con el incremento del contenido de WFS, lo que destaca su papel en el aumento de la tenacidad y la resistencia al agrietamiento. Estos resultados de las pruebas concuerdan con las teorías de densificación por geopolimerización.

La conductividad térmica oscila entre 0,1222 W/m·K y 0,1652 W/m·K, y la resistencia térmica entre 0,1512 m²·K/W y 0,2758 m²·K/W, lo que presenta un excepcional potencial de aislamiento, especialmente en compuestos ricos en vermiculita. La estructura porosa de la vermiculita captura eficazmente el aire, reduciendo la transferencia de calor. El coeficiente de absorción acústica, máximo de 0,41 a 1000 Hz, destaca por su excelente rendimiento acústico, lo que permite que estas mezclas sean adecuadas para la insonorización en aplicaciones de construcción ligera.

La progresión hacia materiales ligeros (1302 kg/m³) a de densidad media (2032 kg/m³) se logra variando las combinaciones de mezclas, lo que promueve la flexibilidad del diseño del material para aplicaciones específicas. Además, la absorción de agua se reduce del 23 al 9 % con una menor porosidad en el compuesto de arena y arroz de fundición, lo que mejora la durabilidad y la resistencia al deterioro causado por la humedad.

Este estudio revela que los compuestos ricos en vermiculita poseen un alto aislamiento térmico y absorción acústica, lo que los hace especialmente adecuados para aplicaciones de construcción energéticamente eficientes y con reducción de ruido. Estas propiedades se deben a la baja conductividad térmica de la vermiculita y a su capacidad para retener aire dentro de su estructura porosa, lo cual ha sido validado por diversos estudios de campo. Además, las mezclas ricas en arena de fundición ofrecen un mejor rendimiento mecánico, lo que las hace especialmente importantes para aplicaciones estructurales. La mejora de la resistencia a la compresión y a la flexión, junto con una menor absorción de agua, promueve el uso de estas mezclas en entornos donde la durabilidad del material y la resistencia a la degradación son fundamentales.

Si bien el estudio demuestra avances significativos en el desarrollo de compuestos geopoliméricos que incorporan GGBS, WFS y vermiculita para mejorar el rendimiento térmico y mecánico, se deben reconocer ciertas limitaciones. En primer lugar, no se investigó la durabilidad a largo plazo de estos compuestos en condiciones ambientales extremas, como ciclos de congelación-descongelación y alta humedad. En segundo lugar, el uso de subproductos industriales específicos puede introducir variabilidad en las propiedades del material debido a posibles diferencias en sus composiciones químicas entre diferentes fuentes. En tercer lugar, si bien se evaluaron las propiedades de aislamiento térmico y acústico, el rendimiento práctico de estos compuestos en aplicaciones reales, como paneles de pared de geopolímero, requiere mayor validación. Las investigaciones futuras deberían abordar estas limitaciones para refinar aún más la aplicabilidad y escalabilidad de los compuestos geopoliméricos en la construcción.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles a pedido razonable del autor correspondiente.

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Esta investigación no recibió ninguna subvención o financiación específica de agencias de los sectores público, comercial o sin fines de lucro.

Laboratorio de Materiales de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Civil, Instituto de Tecnología e Investigación Aplicada PSG, Neelambur, Coimbatore, 641 062, India

Nidhya Rathinavel, Abdul Aleem y Mohamed Ismail

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RN- Investigación, conceptualización, análisis de datos y redacción del manuscrito; MIAA- Revisión y finalización del manuscrito.

Correspondencia a Nidhya Rathinavel.

Los autores declaran no tener intereses en conflicto.

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Reimpresiones y permisos

Rathinavel, N., Aleem, A. e Ismail, M. Paneles de geopolímero energéticamente eficientes para muros: optimización de las propiedades mecánicas, térmicas y acústicas para la construcción sostenible. Sci Rep 15, 25851 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-11783-4

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Recibido: 19 de junio de 2025

Aceptado: 14 de julio de 2025

Publicado: 16 de julio de 2025

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-11783-4

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