Desarrollo de conglomerados con la incorporación de cenizas volantes procedentes de la incineración de residuos sólidos urbanos

Esta tesis presenta los resultados de la investigación realizada sobre la inertización de cenizas volantes procedentes de residuos sólidos urbanos y su posterior encapsulación en distintas matrices de mortero. Durante el proceso de inertización, se ha logrado la inertización de éste residuo tóxico y peligroso (RTP) y también su valorización como subproducto. De esta forma se dispone de nueva “materia prima” a bajo coste y la eliminación de un residuo tóxico y peligroso con la consiguiente conservación de recursos naturales alternativos. La caracterización química de las cenizas analizadas refleja que éstas presentan altas concentraciones de cloruros, Zn y Pb. Durante la investigación se ha desarrollado un proceso de inertización de las cenizas volantes con bicarbonato sódico (NaHCO3) que reduce en un 99% el contenido en cloruros y mantiene el pH en valores óptimos para que la concentración de los metales pesados en el lixiviado sea mínima debido a su estabilización en forma de carbonatos insolubles. Se han elaborado morteros con cuatro tipos distintos de cementos (CEM-I, CEM-II, CAC y CSA) incorporando cenizas volantes inertizadas en una proporción igual a un 10% en peso del árido utilizado. Los morteros ensayados abarcan distintas dosificaciones tanto en la utilización de áridos con distintos diámetros (0/2 y 0/4), como en la relación cemento/árido (1/1 y 1/3). Se han obtenido las propiedades físicas y mecánicas de estos morteros mediante ensayos de Trabajabilidad, Estabilidad Dimensional, Carbonatación, Porosidad y Resistencias Mecánicas. De igual forma, se presentan resultados de ensayos de lixiviación de Zn, Pb, Cu y Cd, sobre probetas monolíticas de los morteros con los mejores comportamientos físico/mecánicos, donde se ha analizado el contenido en iones de dichos metales pesados lixiviados mediante determinación voltamperométrica de redisolución anódica Se concluye que todos los morteros ensayados son técnicamente aceptables, siendo los más favorables los elaborados con Cemento de Sulfoaluminato de Calcio (CSA) y con Cemento de Aluminato de Calcio (CAC). En este último caso, se mejoran las resistencias a compresión de los morteros de referencia en más de un 48%, y las resistencias a flexión en más de un 67%. De igual forma, los ensayos de lixiviado revelan la completa encapsulación de los iones de Zn y la mitigación en el lixiviado de los iones de Pb. Ambos morteros podrían ser perfectamente validos en actuaciones en las que se necesitase un producto de fraguado rápido, altas resistencias iniciales y compensación de las retracciones con una elevada estabilidad dimensional. En base a esto, el material podría ser utilizado como mortero de reparación en viales y pavimentos que requiriesen altas prestaciones, tales como: soleras industriales, pistas de aterrizaje, aparcamientos, etc. O bien, para la confección de elementos prefabricados sin armaduras estructurales, dada su elevada resistencia a flexión. ABSTRACT This dissertation presents the results of a research on inerting fly ash from urban solid waste and its subsequent encapsulation in mortar matrixes. The inerting of this hazardous toxic waste, as well as its valorization as a by-product has been achieved. In this way, a new "raw material" is available through a simple process and the toxic and hazardous waste is eliminated, and consequently, conservation of alternative natural resources is strengthened. Chemical analysis of the ashes analyzed shows high concentrations of soluble chlorides, Zn and Pb. An inerting process of fly ash with sodium bicarbonate (NaHCO3) has been developed which reduces 99% the content of chlorides and maintains pH at optimal values, so that the concentration of heavy metals in the leachate is minimum, due to its stabilization in the form of insoluble carbonates. Mortars with four different types of cements (CEM-I, CEM-II, CAC and CSA) have been developed by the addition of inertized fly ash in the form of carbonates, in the proportion of 10% in weight of the aggregates used. The samples tested include different proportions in the use of aggregates with different sizes (0/2 and 0/4), and in the cement/aggregate ratio (1/1 and 1/3). Physical/mechanical properties of these mortars have been studied through workability, dimensional stability, carbonation, porosity and mechanic strength tests. Leaching tests of Zn, Pb, Cu and Cd ions are also being performed on monolithic samples of the best behavioral mortars. The content in leachated heavy metal ions is being analyzed through stripping voltammetry determination. Conclusions drawn are that the tested CAC and CSA cement mortars present much better behavior than those of CEM-I and CEM-II cement. The results are especially remarkable for the CAC cement mortars, improving reference mortars compression strengths in more than 48%, and also bending strengths in more than 67%. Leaching tests confirm that the encapsulation of Zn and Pb is achieved and leachate of both ions is mitigated within the mortar matrixes. For the above stated reasons, it might be concluded that mortars made with calcium aluminate cements or calcium sulfoaluminate with the incorporation of treated fly ash, may be perfectly valid for uses in which a fast-curing product, with high initial strength and drying shrinkage compensation with a high dimensional stability is required. Based on this, the material could be used as repair mortar for structures, roads and industrial pavements requiring high performance, such as: industrial floorings, landing tracks, parking lots, etc. Alternatively, it could also be used in the manufacture of prefabricated elements without structural reinforcement, given its high bending strength.

Estudio de hormigón autocompactante con árido reciclado

La tesis doctoral “Estudio de hormigón autocompactante con árido reciclado” realizada dentro del programa de doctorado de la Universidad Politécnica de Madrid “Máster en técnicas experimentales avanzadas en la ingeniería civil”, investiga la sustitución de áridos gruesos naturales por reciclados en hormigones autocompactantes, para demostrar la posibilidad de utilización de este tipo de árido en la fabricación de hormigones autocompactantes. En cuanto a la línea experimental adoptada, la primera fase corresponde a la caracterización de los cementos y de los áridos naturales y reciclados. En ella se han obtenido las principales características físicas y mecánicas. Una vez validadas las características de todos los materiales y adoptada una dosificación de hormigón autocompactante, se han elaborado cuatro dosificaciones con cuatro grados de incorporación de árido reciclado cada una, y una dosificación con seis grados de incorporación de árido reciclado. Fabricándose un total de 22 tipos de hormigón diferentes, sin contar todas las amasadas iniciales hasta la consecución de un hormigón autocompactante. Las cinco dosificaciones se han dividido en dos grupos para poder analizar con mayor grado de definición las características de cada uno. El primer grupo es aquel que contienen los hormigones con diferentes relaciones a/c, que incluye a la muestra A (a/c=0.55), muestra D (a/c=0.50) y muestra E (a/c=0.45). Por el contrario, el segundo grupo dispone de una relación fija de a/c=0.45 pero diferentes relaciones a/c efectivas, ya que algunas de las muestras disponen de un contenido de agua que permite contrarrestar la mayor absorción del árido reciclado. Estando en este grupo la muestra E (sin agua adicional), la muestra H (con presaturación de los áridos) y la muestra I (con un aporte de agua junto con el agua de amasado. Una vez fabricados los hormigones, se pasa a la segunda fase del estudio correspondiente a la caracterización del hormigón en estado fresco. En esta fase se han llevado a cabo los ensayos de escurrimiento, escurrimiento con anillo japonés, ensayo embudo en V y embudo V a los 5 minutos. Todos estos ensayos permiten evaluar la autocompactabilidad del hormigón según el anejo 17 de la EHE-08. La tercera fase del estudio se centra en la caracterización de los hormigones en estado endurecido, evaluando las características resistentes del hormigón. Para ello, se han realizado los ensayos de resistencia a compresión, a tracción, módulo de elasticidad y coeficiente de Poisson. En la cuarta y última fase, se han analizado la durabilidad de los hormigones, debido que a pesar de ofrecer una adecuada autocompactabilidad y resistencia mecánica, se debe de obtener un hormigón con una correcta durabilidad. Para tal fin, se ha determinado la resistencia a la penetración de agua bajo presión y carbonatación de las probetas. Este último ensayo se ha realizado teniendo en cuenta las condiciones del denominado método natural, con una exposición al ambiente de 90 días y 365 días. Con todos estos resultados se elaboraron las conclusiones derivadas de la investigación, demostrándose la posibilidad de fabricación de hormigones autocompactantes con árido reciclado (HACR) con sustituciones de hasta un 40%, e incluso dependiendo de la relación a/c con sustituciones del 60% y el 80%. ABSTRACT The doctoral thesis titled Analysis of self-compacting concrete with recycled aggregates, has been developed in accordance with the doctoral program: Master degree in advanced experimental techniques in civil engineering, at UPM. It investigates the possibility of replacing natural coarse aggregates with recycled coarse aggregates, in the field of self-compacting concrete. The aim of this dissertation is to analyze the possibility of using recycled coarse aggregates in the manufacture process of self-compacting concretes. Regarding the experimental part, the first phase refers to mechanical and physical characterization of some materials such as cement, natural aggregates and recycled aggregates. Once the characteristics of all materials have been validated and the mixing proportions have been adopted, four different mixes are elaborated by using four dosage rates of recycled aggregates in each one of the samples. Moreover, an additional sample consisting of six different dosages of recycled aggregates is considered. A total number of 22 concrete specimens have been manufactured, without including all the initial kneading samples used to obtain this type of self-compacting concrete. The aforementioned mixes have been divided in two different groups to be able to analyze with more definition. The first group is the one in which the concrete contains different values of the water - cement ratio. It includes the next samples: A (w/c=0.55), D (w/c=0.50) and E (w/c=0.45). The second group has a fixed water -cement ratio, w/c=0.45, but a different effective water - cement ratio, since some of the samples have a water content that enables to offset the major absorption of the recycled aggregates, being in this group the mixing E (without additional water), the mixing H (with saturated recycled aggregate) and the mixing I (with an additional water content to the existing kneading water). Once the concrete samples have been manufactured, the following section deals with the characterization of the concrete in fresh conditions. To accomplish this, several characterization tests are carried out such as the slump-flow test, test slump flow with Japanese ring, test V-funnel and V-funnel to 5 minutes. These tests are used to assess the self-compacting conditions according to the annex 17 of the EHE-08 The third phase of the study focuses on the mechanical characterization, the assessment of the strength properties of the concrete such as compressive strength, tensile strength, modulus of elasticity and Poisson´s ratio. Within the fourth and last phase, durability of the concrete is evaluated. This fact is motivated by the need to obtain not only good self-compacting and mechanical strength properties, but also adequate durability conditions. To accomplish the aforementioned durability, resistance of the samples under certain conditions such as water penetration pressure and carbonation, has been obtained. The latter test has been carried out taking into account the natural method, with an exhibition period to the environment of 90 days and 365 days. Through the results coming from this research work, it has been possible to obtain the main conclusions. It has been demonstrated the possibility to manufacture self-compacting concrete by using recycled aggregates with replacement rates up to 40% or, depending on the w/c ratio, rates of 60% and 80% might be reached.

Estudio sobre la durabilidad de los nuevos tipos de cemento para la evaluación del comportamiento de morteros y hormigones frente a la agresión química de los sulfatos y del agua de mar

Esta investigación ha sido desarrollada para analizar la influencia de las características específicas de los nuevos cementos en el comportamiento expansivo originado durante cinco años por el ataque externo por sulfatos o agua de mar, y para estudiar la validez de diversos métodos de ensayo aplicables para evaluar la resistencia de los conglomerantes a los sulfatos o al agua de mar. Se han determinado las características químicas y mecánicas de los quince cementos seleccionados en el estudio (su contenido de yeso, tipo y cantidad de adiciones, contenidos de C3A y C4AF) para examinar la relación entre estos parámetros y su durabilidad frente al ataque por sulfatos. Se han llevado a cabo ensayos para evaluar la resistencia a sulfatos sobre probetas de mortero fabricadas con los quince cementos comunes seleccionados de muy distintos tipos, la mayoría de ellos resistentes a sulfatos conforme a la norma UNE-EN 197-1. Por cada tipo de cemento se fabricaron probetas de mortero para la realización de ensayos acelerados usando Na2SO4 como medio agresivo según la norma ASTM C 1012 manteniendo esas condiciones de exposición durante dos años. En paralelo se fabricaron otras series de probetas idénticas, que fueron conservadas en agua de mar y en agua saturada en cal (como patrón de un medio no agresivo) durante el mismo plazo. Adicionalmente estos cementos fueron evaluados conforme a los procedimientos de ensayo acelerado de la norma ASTM C 452 y del ensayo de Koch y Steinegger. También se fabricaron otras series de probetas de 40x40x160 mm (adoptando una relación a/c=0,5 y la composición arena:cemento definida en la norma UNE-EN 196-1). Durante cinco años de exposición en las tres condiciones de conservación establecidas (sulfatos, agua de mar y agua patrón) se han efectuado ensayos para determinar la resistencia a compresión y el deterioro superficial de las probetas de mortero. Ninguno de los conglomerantes fue mezclado inicialmente con yeso para acelerar el ataque ni se establecieron otras condiciones no realísticas en la fabricación de los morteros Se ha analizado el comportamiento durable de los cementos tanto frente al ataque por sulfatos como por agua de mar. Para la evaluación se han tomado en consideración las variaciones de contenido en C3A, los tipos y proporciones de los constituyentes (adiciones puzolánicas, escorias de horno alto, caliza …) con el mismo tipo de clínker en algunos casos. Se ha procedido a evaluar la validez de los límites de aceptación establecidos en cada uno de los ensayos acelerados para determinar la resistencia a sulfatos y valorar su idoneidad en los nuevos cementos, y se ha propuesto un método de ensayo acelerado recomendable para discriminar cementos resistentes y no resistentes a sulfatos. A la edad final de los tres tipos de exposición han sido correlacionados los parámetros relativos a la degradación superficial, pérdida de resistencia y expansión lineal de las probetas con las características de los cementos y los productos expansivos analizados mediante difracción de rayos X, con objeto de poder redefinir las características recomendables exigibles a los cementos resistentes a sulfatos o al agua de mar. Experimental research has been performed to relate specific cement characteristics to expansion due to sulfate or sea water attack during five years, and to study different test methods suitability for sulfate and marine resistance. Chemical and mechanical characteristics were studied to determine the variation in properties of selected cements (SO3 content, type and amount of additions, C3A, and C4AF content) and examine relationships between these characteristics and the results of sulfate resistance. Sulfate resistance testing have been performed on mortar specimens prepared from fifteen cement types of statistically diverse chemical composition, most of them with sulfate resistant properties according to European standard EN 197-1 Mortar specimens testing using Na2SO4 as the aggressive medium according to ASTM C 1012 was performed using each cement; identical specimens were also stored in sea water, and in lime saturated water (blank condition), up to two years age. Additionally these cements were tested conforming to ASTM C 452 and Koch and Steinegger test. Mortar specimens of 40x40x160 mm were also moulded (with w/c ratio and cement:sand composition of EN 196-1). Compressive strength of these mortar specimens have been tested during five years of immersion in a sulfate solution and also in seawater (and in lime saturated water, as a blank condition), and external damage and have been analyzed. None of the prepared mortars was blended with gypsum or any other nonrealistic condition. Durability behaviour in sulfate resistant common cements conforming to EN 197-1 exposed to sulfate attack was evaluated, and also the correlation between sulfate resistance and seawater resistance has been studied. Different C3A contents, variable types and proportioning of constituents (limestone, pozzolanic additions, blastfurnace slag ...) with or without the same clinker type were investigated. Recommended acceptance limits for sulfate resistance of cements concerning to each used test method were evaluated in order to explore their suitability. A new accelerated method has been recommended to provide a meaningful discrimination between sulfate resistant or non-sulfate resistant cements. Relationships between cement characteristics, degradation, expansive products obtained by X-ray diffraction techniques, strength loss and maximum expansion after applied storage treatments, were correlated at final age, to redefine cement characteristics for sulfate resistant and marine resistant Portland cement.

Aplicación integral en construcción de materiales eco-eficientes con incorporación de cenizas de biomasa

El empleo de biomasa como combustible para la generación de bio-energía va en aumento en la actualidad, debido a su impacto medioambiental nulo en cuanto a las emisiones de CO2. Por lo tanto la generación de cenizas de biomasa, residuo de la producción de esta energía, constituye un problema medioambiental con un claro impacto social y económico. Este tipo de ceniza tiene contenidos en óxidos que la hacen atractiva para su empleo como sustituto parcial del cemento Portland, lo cual proporciona una salida eco-eficiente a este residuo, reduciendo al mismo tiempo la emisión de gases de efecto invernadero asociada a la fabricación del cemento. Esta investigación se centra en el desarrollo de nuevos e innovadores materiales base-cemento eco-eficientes que incorporan ceniza de biomasa para su aplicación integral en construcción. Para ello, se emplea una ceniza de biomasa (CB) procedente de un combustor de lecho fluidizado, cuya biomasa de combustión es principalmente restos de corteza de eucalipto, suministrada por el grupo ENCE-Navia (Asturias). El trabajo desarrollado en la presente tesis doctoral, tiene como primera fase la caracterización de esta ceniza y el análisis de viabilidad de su valorización en materiales base-cemento. Dentro de este análisis, se propone la activación de la ceniza CB mediante tratamiento hidrotermal (TH) en diferentes condiciones de medio activante, temperatura y tiempo de proceso, con el objetivo de favorecer la formación de fases hidratadas que potencien la valorización de la ceniza en el campo de los materiales de construcción. Como fase hidratada de interés se obtiene la fase tobermorita (Ca2.25(Si3O7.5(OH)1.5)(H2O)), precursora del gel C-S-H, responsable del desarrollo de resistencias mecánicas en los materiales base-cemento. El proceso de TH se optimiza para la síntesis más eficiente de esta fase. El estudio posterior de las propiedades mecánicas y micro-estructurales de pastas de cemento eco-eficientes que incorporan la ceniza CB y la ceniza tratada hidrotermalmente, CB-TH, confirma una mayor viabilidad de incorporación de la ceniza CB como sustituto parcial del cemento Portland. Como siguiente paso en el desarrollo de estos innovadores materiales base-cemento eco-eficientes se amplía el estudio multi-escalar de los materiales que incorporan CB mediante diferentes ensayos físico-mecánicos y de durabilidad. Los resultados indican que la presencia de la ceniza de biomasa no tiene efectos negativos sobre las propiedades físicas de los morteros eco-eficientes estudiados. Sin embargo, la adición de CB proporciona una mejor durabilidad del material al producir modificaciones de la microestructura que dificultan el transporte de agentes agresivos. Por otro lado, los morteros con un 10 y 20% de sustitución parcial de cemento por la ceniza de biomasa CB (CB-10 y CB-20) presentan una resistencia a compresión de 53.3 y 50.5 MPa a 28 días de curado, respectivamente. Estos morteros son comparables con un cemento Portland tradicional tipo CEM I de clase de resistencia 42.5 R. Por último, y con el fin de proporcionar la apertura de estos nuevos cementos eco-eficientes al mercado en el campo de los materiales de construcción, se estudian propiedades concretas relacionadas con diferentes tipos de aplicaciones. Concretamente se estudian en detalle las propiedades relativas a la aplicación en baldosas de mortero y los resultados indican unas prestaciones del material eco-eficiente con incorporación de CB similares o mejoradas con respecto al cemento Portland. Se analiza también la viabilidad de aplicación estructural de los cementos eco-eficientes desarrollados mediante el estudio de la adherencia al acero, que resulta similar a la del material de referencia. En cuanto a los resultados de extracción y caracterización de la fase acuosa de los poros, en todas las matrices eco-eficientes se obtiene un pH que garantiza la pasivación de la armadura. Sin embargo, el alto contenido en cloruros de dicha fase acuosa sugiere la conveniencia de realizar un análisis más detallado para la aplicación de los nuevos materiales eco-eficientes en hormigón armado. Se comprueba que todas las matrices que incorporan CB en porcentajes entre un 10 y un 90%, se pueden considerar adecuadas como nuevos materiales de construcción más eco-eficientes en aplicaciones con distintos niveles de exigencias mecánicas y sin problemas ambientales asociados con procesos de lixiviación. Con el presente trabajo de investigación se completan los objetivos iniciales de la tesis, con la obtención de nuevos e innovadores materiales base-cemento eco-eficientes que incorporan cenizas de biomasa (CB) con aplicación integral en el campo de la construcción. ABSTRACT The use of biomass as a fuel for the generation of bio-energy is increasing nowadays, due to its zero environmental impact in terms of CO2 emissions. Therefore the generation of biomass ash, a by-product of this energy, is an environmental problem with a clear social and economic impact. This type of ash contains oxides that make it attractive to be used as a partial replacement of Portland cement, providing an eco-efficient solution to this residue, while reducing the emission of greenhouse gases associated with the production of cement. The present research is focused on the development of new and innovative eco-efficient cement-based materials that incorporate biomass ash for their comprehensive application in construction. For this purpose a biomass ash (CB) is used from a fluidized bed forest combustor mainly fed with the bark of eucalyptus trees, provided by the ENCE-Navia (Asturias) group. The work includes in the first stage the characterization of the raw materials and the analysis of viability of their valorization in cement-based materials. Within this analysis, the activation of the ash is proposed by hydrothermal treatment (HT) in different conditions of activation medium, temperature and process duration, aiming an enhanced formation of hydrated phases to improve the ash valorization in the construction materials field. As an interesting hydrated phase, the tobermorite (Ca2.25(Si3O7.5(OH)1.5)(H2O)) is obtained from the process. This phase is considered as a precursor of the gel C-S-H, responsible for the development of mechanical strength in cement-based materials. HT process is optimized for the most efficient synthesis of tobermorite. The analysis of mechanical and microstructural properties of eco-efficient cement pastes incorporating CB ash and hydrothermally treated ash, CB-TH, confirms an improved viability of incorporation of CB ash as a partial replacement for Portland cement in the case. As a next step in the development of these innovative eco-efficient cement-based materials, a multiscale study of the materials that incorporate CB by different physical-mechanical and durability tests is carried out. The results indicate that the presence of biomass ash does not give rise to negative effects on the physical properties of the eco-efficient mortars analyzed. Nevertheless, the addition of CB produces a better durability performance due to microstructural modifications that hinder the transport of aggressive agents through the material. Moreover, mortars with a 10% and 20% of partial substitution of cement by the CB biomass ash (CB-10 and CB-20) show a compressive resistance of 53.3 and 50.5 MPa at 28 days of curing, respectively. These mortars are comparable to an ordinary Portland cement type CEM I with a resistance class of 42.5R. Finally, and in order to provide the opening of these new eco-efficient cement to the market in the field of construction materials, certain properties specifically related to different types of applications are studied. Among these, the properties concerning the application in mortar tiles are analyzed and the results indicate a similar, or even better performance of the eco-efficient mortar that incorporates CB, with respect to Portland cement. The viability of structural application of the developed eco-efficient cement is also performed considering the study of the adhesion to steel, with results similar to those of the reference material. Regarding the results of extraction and analysis of the aqueous phase of the pores, a pH value guaranteeing reinforcement passivation is obtained for all the eco-efficient matrices. However, high chloride content is obtained suggesting the suitability of a more detailed study to evaluate the application of these new eco-efficient materials in reinforced concrete. It is established that all the matrices incorporating CB in percentages between 10 and 90% may be considered adequate as new more eco-efficient construction materials in applications with different levels of mechanical demand and without environmental problems associated to leaching processes. In this research the initial objectives of the thesis are fulfilled by obtaining new and innovative eco-efficient cement-based materials that incorporate biomass ashes (CB) with comprehensive application in the construction field.