Tofo volcánico como precursor sostenible para la síntesis de geopolímeros: optimización y visión microestructural

Convertir roca volcánica en bloques de construcción más verdes

El hormigón está por todas partes, pero el cemento que lo mantiene unido libera grandes cantidades de dióxido de carbono durante su producción. Este estudio explora si una roca volcánica común, llamada tofo, procedente de Argelia puede transformarse en un aglutinante fuerte y de baja huella de carbono para sustituir parte del cemento tradicional en edificios futuros.

De una roca similar a ceniza a un aglutinante tipo cemento

Los investigadores se centraron en el tofo volcánico de una cantera en el noreste de Argelia. Esta roca es naturalmente rica en sílice y alúmina, ingredientes que pueden formar una red dura, semejante a la piedra, cuando se mezclan con un líquido alcalino. Primero, el tofo se secó, se molió finamente y se analizó químicamente. Las pruebas mostraron que cumple los criterios internacionales para ser un material “puzolánico” reactivo, lo que significa que puede reaccionar con soluciones alcalinas para formar un aglutinante similar al cemento. El equipo combinó entonces el polvo de tofo con soluciones de hidróxido de sodio y silicato de sodio para crear lo que se conoce como una pasta geopolymer, que se endurece hasta formar un material sólido.

Ajustar la receta para obtener resistencia

En lugar de cambiar un ingrediente a la vez, el equipo usó un método de diseño estadístico para explorar de forma eficiente muchas combinaciones posibles. Variaron cuatro factores clave: la concentración del hidróxido de sodio, la cantidad de sílice disuelta añadida, la temperatura de curado y la relación líquido-sólido del tofo. Se moldearon pequeñas probetas que luego se curaron a temperatura ambiente o en horno a temperaturas más altas antes de ser machacadas para medir su resistencia a compresión, una manera sencilla de evaluar la carga que el material puede soportar.

Descubrir qué importa más

El análisis mostró que la temperatura de curado tuvo el mayor impacto en la resistencia, seguida por la cantidad de sílice añadida en el activador y la relación líquido-sólido. Elevar la temperatura de curado desde la ambiente hasta 60 y 80 grados Celsius aumentó considerablemente la resistencia y hizo los resultados más consistentes. Un mayor contenido de sílice en la solución también ayudó, reforzando la red interna que se forma al endurecerse el material. En cambio, más allá de cierto punto, añadir más líquido debilitó el material, probablemente porque el exceso de agua dejó poros adicionales al evaporarse. La concentración exacta de hidróxido de sodio importó menos que estos otros factores, siempre que se mantuviera dentro de un rango moderado.

Mirar dentro de la nueva piedra

Para entender por qué algunas mezclas eran más resistentes, el equipo usó varias herramientas para analizar el material endurecido. La difracción de rayos X y la espectroscopía infrarroja mostraron que las mezclas exitosas formaron grandes cantidades de una fase vítrea, tipo gel, que une las partículas. Imágenes de microscopía electrónica revelaron que las probetas de mejor comportamiento tenían una textura densa y sin fisuras, con los huecos entre los granos de tofo rellenados por este gel. Las muestras más débiles, especialmente las curadas a temperatura ambiente con menor contenido de sílice, presentaron más partículas sin reaccionar, poros mayores y grietas visibles, factores que reducen la resistencia.

Optimizar una receta práctica

Usando un enfoque matemático de “deseabilidad”, los investigadores identificaron una combinación de ingredientes y condiciones de curado predicha para proporcionar una resistencia especialmente alta. Esta receta optimizada implicaba una solución alcalina relativamente concentrada, un alto contenido de sílice, una cantidad moderada de líquido y curado a 80 grados Celsius. Cuando esta receta se probó en el laboratorio, la resistencia medida se acercó al valor predicho, confirmando que el método de optimización era fiable y que el tofo volcánico argelino puede, efectivamente, formar un aglutinante geopolymer robusto.

Qué significa esto para la construcción futura

Para no especialistas, el mensaje clave es que una roca natural ampliamente disponible, ya extraída en grandes cantidades en Argelia, puede transformarse en un material fuerte y similar al cemento cuando se activa con la solución alcalina adecuada y calor. Aunque se necesita más trabajo para probar la durabilidad a largo plazo y la producción a gran escala, este estudio muestra que el tofo volcánico podría ayudar a reducir la dependencia del cemento tradicional y disminuir el impacto climático de edificios e infraestructuras futuras.

Cita: Boumaza, A., Khouadjia, M.L.K., Belebchouche, C. et al. Volcanic tuff as a sustainable precursor for geopolymer synthesis: optimization and microstructural insight. Sci Rep 16, 14932 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44923-5

Palabras clave: tofo volcánico, geopolímero, hormigón de baja emisión, temperatura de curado, construcción sostenible