Preparation of glass–ceramic materials from coal ash and rice husk ash: Microstructural, physical and mechanical properties

Wastes such as coal and rice husk ashes, which are widely available in Colombia, were successfully used to synthesize glass-ceramics in the (Na2O)–CaO–Al2O3–SiO2 system, which are obtained from thermally treating the parent glasses. The raw materials were mechanically conditioned, and the glasses were designed based on the CaO/SiO2 molar ratio, which was varied between 0.25 and 0.39. The glasses were obtained by melting the powders at 1450 °C for 2 h, and the melted powder was then poured into water. To obtain the glass–ceramic material, the temperature of the glass thermal treatment, which was generally lower than 1000 °C in all cases, was determined by differential thermal analysis. The glass-ceramics obtained were microstructurally, physically and mechanically characterized. In addition, the durability was determined in acidic and alkaline environments (HCl and NaOH solutions). Glass–ceramics with densities of 2607–2739 kg/m3, water absorption below 0.1%, Vickers hardness above 600 MPa and elastic modulus of ∼96 GPa were obtained. The fracture toughness Kic was in the range of 0.39–0.59 MPa m1/2. The chemical durability was considered excellent (with mass losses of ∼0.5 mg/cm2), therefore these glass–ceramics can be good candidates for different applications in the construction sector. Resumen: Residuos sólidos como ceniza de carbón y ceniza de cascarilla de arroz, los cuales se encuentran disponibles en grandes cantidades en Colombia, se emplearon para la síntesis (a partir de vidrios parental) de materiales vitrocerámicos dentro del sistema SiO2–Al2O3–CaO(Na2O). Las materias primas se acondicionaron mecánicamente y los vidrios se diseñaron basados en la relación molar CaO/SiO2, la cual varió entre 0,25 y 0,29. Los vidrios se obtuvieron por fusión a 1.450 °C por 2 h y el material fundido se enfrió en agua. Para obtener la vitrocerámica, el vidrio fue analizado por análisis térmico diferencial para identificar la temperatura de cristalización, que fue menor de 1.000 °C para todos los vidrios en estudio. Las vitrocerámicas obtenidas fueron caracterizadas microestructural, física y mecánicamente. Además, la durabilidad fue determinada en ambiente ácidos y básicos en soluciones de HCl y NaOH. Se obtuvieron vitrocerámicas con densidades entre 2.607 y 2.739 kg/m3, con absorción de agua menor al 0,1%, dureza Vickers de 600 MPa y módulo de elasticidad de ∼96 GPa. La tenacidad a la fractura Kic estuvo en el rango de 0,39-0,59 MPa m1/2 y la durabilidad química fue considerada como muy buena debido a las pérdidas de masa de tan solo ∼0,5 mg/cm2. Con estos resultados, las vitrocerámicas obtenidas se consideran buenas candidatas para aplicaciones en el sector de la construcción