Mejora de las propiedades de materiales a base de cemento que contienen TiO2 : propiedades autolimpiantes

Los altos niveles de emisión de contaminantes en las grandes ciudades son causa principal de la suciedad y deterioro de la imagen estética de las edificaciones que las conforman y de la mala calidad del aire. Indudablemente, lo primordial es reducir al máximo dichas emisiones, y hoy en día ya se tratan de reducir por debajo de los límites tolerables a la salud, pero esta reducción sigue siendo insuficiente ante el deterioro estético de los edificios que requieren de intervenciones periódicas de limpieza con el consiguiente gasto. El trabajo trata de investigar y acotar los mecanismos fotocatalíticos por los que el TiO2 confiere propiedades autolimpiantes, descontaminantes y antifúngicos en materiales a base de cemento. Se trata de definir la influencia de la concentración de TiO2 y los mecanismos de activación fotocatalítica mediante luz visible y luz ultra violeta; implementación hidrófoba de la superficie; rendimientos autolimpiantes, descontaminantes y su duración e influencia en las propiedades mecánicas de la matriz. En primer lugar se revisa la situación actual en las investigaciones sobre las propiedades autolimpiantes que el TiO2 desarrolla sobre diversos materiales. A partir de ahí se han definido los procedimientos y dosificaciones teóricas más adecuadas para poder experimentar en el laboratorio, y poder discutir los resultados. Para poder evaluar la influencia del TiO2 en los materiales a base de cemento se han realizado una serie de probetas de mortero de cemento con diferentes concentraciones de TiO2 que se comparan con otras realizadas con un mortero convencional de referencia. Se realiza una campaña experimental que incluye: ensayos de resistencia, porosimetría, análisis y térmico diferencial, para evaluar su influencia en la estructura interna; ensayos de ángulo de escurrimiento, ángulo de contacto y auto limpieza, sin y con activación del TiO2 bajo rayos UV para poder evaluar el mecanismo fotocatalítico y el incremento de actividad de la auto limpieza. Una vez realizados los ensayos se ha procedido a analizar los resultados y a partir de ellos se han obtenido conclusiones acerca de la influencia del TiO2 en la matriz cementícia, así como de sus efectos en términos de auto limpieza. Finalmente, se proponen unas líneas de investigación futuras con el fin de poder profundizar más en la evaluación del rendimiento de los procesos fotocatalíticos que rigen su comportamiento y en el análisis de otros materiales que produzcan el del mismo efecto en la superficie cementícia y con el propósito también de poder explicar fenómenos que hayan podido quedar insuficientemente tratados en el presente trabajo.

Morteros de cemento con adiciones de humo de sílice y nanosílice

La combinación de nuevos materiales para lograr una mejoría en las propiedades del mortero y del hormigón, ha dado impulso al desarrollo de muchas investigaciones en la actualidad. La lucha por lograr materiales resistentes y durables es hoy en día el objetivo principal de los investigadores de materiales. La variación en las dosificaciones, la sustitución de materiales, la utilización de adiciones, nanopartículas y fibras, entre otras, son novedades que antes eran impensables en el mundo del hormigón. El presente trabajo enmarcado dentro de un Trabajo Fin de Máster, pretende evaluar el efecto de la adición simultánea de Humo de Sílice y Nanosílice en morteros, a nivel microestructural y macroestructural, las adiciones se suministrarán en porcentajes variables respecto del peso del cemento y comparando con un mortero de referencia sin adiciones. Para poder realizar estas comparaciones se ha diseñado una campaña experimental que engloba ensayos a nivel microestructural, refiriéndose a porosimetría por intrusión de mercurio (PIM) y análisis térmico diferencial (ATD), y a nivel macroestructural la evaluación de resistencias a flexo-tracción y compresión respectivamente. Finalmente se ha realizado un análisis de los resultados, se han planteado las conclusiones y las propuestas para trabajos futuros.

Definición de los procedimientos e indicadores de la cadena de custodia de la industria de pasta y papel vinculados a la normativa ISO 9000/14000

En el trabajo se ha reflejado la génesis del término „desarrollo sostenible‟ y la preocupación social y de los gobiernos hacia la sostenibilidad de los recursos, generando una política forestal a escala internacional, cuyo hito inicial desempeña la Cumbre de Rio y otros procesos, donde surge el término „sostenibilidad‟ - procesos gubernamentales que ponen su atención en los bosques,entre ellos el Proceso paneuropeo del que emanan los Criterios e indicadores de la gestión forestal sostenible, así como otros foros donde aparece la vinculación entre los productos y la sostenibilidad de los bosques de donde proceden. A partir de esos conceptos aparecen los sistemas de certificación, primero FSC, promovido por las ONG ambientalistas, y en respuesta a ello, el sistema PEFC de los propietarios forestales privados con las industrias forestales. En su introducción, el trabajo recoge como surge y evoluciona esta preocupación y como se sucede y desarrollan los sistemas de certificación en España, orientados tanto a la superficie forestal como a sus productos derivados. Tratando de ser una herramienta técnica, en estos últimos quince años, se han ido planteando metodologías y propuestas técnicas que puedan garantizar el origen sostenible del bosque de donde procede la materia prima. Aunque la persistencia de la masa forestal como término tiene importancia, no considera numerosos aspectos incluidos en el concepto “gestión forestal sostenible”. El trabajo manifiesta qué es y cómo se origina la Gestión Forestal Sostenible y muy ligado con ello, el origen de la certificación como herramienta, explicando cómo se incardina la certificación forestal española con las estructuras internacionales y se construyen nuevas estructuras a escala española y autonómica. Se expone el dominio y alcance técnico de la certificación, sus inicios y un análisis de la diversidad de sistemas y etiquetas existentes -como ha ido evolucionando a escala internacional y nacional, por sistemas, sectores y continentes, con especial atención en España, recopilando lo sucedido relevante para el sector forestal, industrias forestales y sistemas de certificación en los años de estudio de elaboración de la tesis. Se refleja la relevancia que adquiere la certificación forestal y de la cadena de custodia para la industria del papel, tanto por las regulaciones, normativas y legislación que involucran al producto derivado del bosque como por ser herramienta que enlaza el bosque sostenible con el consumidor. La aplicación de todas esas especificaciones técnicas que muestran la sostenibilidad del bosque y al trazabilidad en el proceso productivo comporta una carga administrativa de recopilación de información, de control para el seguimiento asociado con los registros necesarios, y de archivo de documentos, conforme a las exigencias que plantean los sistemas de certificación forestal. Por tanto, es importante definir un método y procedimientos genéricos para los correspondientes sistemas de gestión preexistentes en las empresas del sector de pasta y papel (de calidad/ de medio ambiente/integrados), para implantar un Sistema de Cadena de Custodia genérico (común a FSC y PEFC) en una instalación de celulosa y papel y un sistema de diligencia debida. Para ello, ha sido necesario analizar la línea de producción y establecer los puntos de su diagrama en los que se requiere el control de la trazabilidad, puntos en los que se procede al seguimiento y registro de la materia prima, materia semielaborada y producto, y de ahí proceder a redactar o retocar los procedimientos de gestión calidad/ medioambiental, en su caso, para incluir los campos de registro. Según determinen los procedimientos, se efectuará un seguimiento y registro de los, derivados que configuran una característica y se determinará una serie de indicadores del sistema de trazabilidad de la madera en la industria de celulosa y papel, es decir, un conjunto de parámetros cuantitativos y descriptivos, sujetos al seguimiento de forma periódica, que muestren el cambio y permitan observar la evaluación y control del Sistema de Cadena de Custodia. Además de asegurar la trazabilidad de la madera y fibra en la industria de pasta y papel y con ello la sostenibilidad del bosque del que procede, se avalará la legalidad de los aprovechamientos que proporcionan ese recurso maderable, cumpliendo así no sólo la legislación vigente sino también ambos sistemas de certificación FSC y PEFC. El sistema de cadena de custodia de la pasta y papel se caracteriza por los indicadores de seguimiento que permite el control de la trazabilidad. ABSTRACT This paper traces the origins of the term „Sustainable Development‟ and of both citizen and institutional concern for the sustainability of resources, leading to the enactment of a forestry policy at international level, of which the initial milestones are the Rio Summit and other processes in which the term „Sustainability‟ was born. Those forestfocused institutional initiatives include the pan-European process that led to the publication of Sustainable Forest Management Criteria and Indicators, and other forums that highlight the link between finished wood-based products and the sustainability of the forests from which that wood is sourced. Those concepts were the culture in which forest certification systems were engendered, first FSC, promoted by environmental NGOs, and subsequently PEFC, fostered in response to FSC by private forest owners and forest-based industries. In its Introduction, this paper looks at how such concern arose and has evolved and how certification systems came into existence in Spain and developed to encompass both forest lands and forest-based products. As part of a mission to provide an applicable technical tool, new methodologies and technical proposals have been put forward over the past fifteen years aimed at guaranteeing the sustainable origin of the forest from which raw material is sourced. Although the maintenance of forest stands as a term in its own right is important, it does not take many of the aspects included in the concept of “sustainable forest management” into account. This thesis describes what SFM is and how it was born, underlying the close link between SFM and the origin of certification as a tool, explaining how Spanish forest certification is embodied in international structures, while new structures are built here in Spain on both the national and regional scale. This work also details the domain and scope of forest certification from the technical standpoint, explains its beginnings, and assesses the various systems and labels that exist - how certification has evolved internationally and nationally across systems, sectors and continents, with special emphasis on Spain. It provides a compilation of events relevant to forestry, forest industries and forest certification systems that have taken place during the years this thesis has been in preparation. It reflects on the relevance that forest and chain of custody certification holds for the paper industry, in view not only of the regulations, policies and legislation that affect forest-based products but also of its role as a tool that bonds the sustainable forest with the consumer. Implementing the range of technical specifications to demonstrate forest sustainability and traceability throughout the production process entails the administrative burden of collecting information and providing controls to process the relevant records and documents to be kept on file in compliance with the requirements made by forest certification schemes. It is therefore important to define a generic method, together with its relevant procedures,that fits the management systems (quality / environmental / integrated)existing today in pulp and paper companies, in order to implement a generic Chain of Custody scheme (common to FSC and PEFC) in a pulp and paper mill, and a due diligence system. To achieve that, it has first been necessary to analyse the production line and establish points along the route where traceabilitycontrols need to be implemented and points where raw material, semi-finished goods and end products should be monitored and recorded. Subsequently, the procedures in quality / environmental management systems need to be drafted or amended as required to include fields that reflect those records. As required by the procedures, forest-based products that have a specific characteristic shall be monitored and recorded, and a number of indicators identified in the traceability system of wood for pulp & paper, i.e.createa set of quantitative and descriptive parameters subject to regular monitoringthat reveal changes and enable the Chain of Custody system to be assessed and controlled. In addition to ensuring the traceability of wood and fibre in the pulp and paper industry -and so the sustainability of the forest from which it is sourced -, the legality of the harvesting that produces that timber will also be enhanced, thus fulfilling not only the law but also both FSC and PEFC certification schemes. The chain of custody system for pulp and paper is characterised by monitoring indicators that enable traceability to be controlled.

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.

Estudio microestructural de pastas de cemento expuestas a medios simulados de agresividad moderada frecuentes en ambientes rurales

Los materiales base cemento (pastas, morteros, hormigones y otros tipos de mezclas) son materiales ampliamente utilizados en la sociedad actual y son uno de los pilares de la ingeniería civil debido a sus buenas propiedades estructurales, facilidad de fabricación y bajo coste. Sus propiedades permiten su uso en ambientes industriales y naturales, siendo materiales muy versátiles siempre y cuando, se tenga en cuenta que sus propiedades durables son limitadas en ambientes donde se producen fenómenos de lixiviación y ataque por diversos iones agresivos. El presente proyecto de investigación se desarrolló motivado por la necesidad de profundizar en el conocimiento del comportamiento de los materiales base cemento en situaciones concretas de exposición a cierto tipo de degradaciones que se producen frecuentemente en explotaciones agropecuarias ubicadas en ambientes naturales. Se diseñó un procedimiento experimental que nos permitiese evaluar el efecto que tienen los ácidos orgánicos sobre la matriz cementicia, así como la acción que presentan los sulfatos y las aguas naturales en los mismos. Teniendo muy presente siempre las características de las disoluciones a las cuales se ha expuesto el material. En último término, se trata de conocer los mecanismos de los procesos de ataque para poder definir el comportamiento del material en estos medios. Los procedimientos de ensayo, así como las técnicas de caracterización son las herramientas fundamentales con las que profundizar en el conocimiento del material, por lo que resulta de vital importancia conocer a fondo las posibilidades que su empleo nos ofrece. En el presente trabajo se ha desarrollado un profundo estudio del uso del termoanálisis en la caracterización de pastas de cemento. Además se han optimizado los procedimientos de caracterización de las muestras con otro tipo de técnicas. La caracterización de las probetas nos ha permitido comprobar el comportamiento del material en situaciones de exposición en ensayos acelerados de laboratorio. Los resultados obtenidos han permitido determinar que el pH del medio agresivo es una variable fundamental cuando se trata de evaluar la agresividad del mismo. La presencia de ciertos iones desarrollaría efectos de sinergia con respecto al pH y condicionaría los valores de las constantes termodinámicas que rigen los equilibrios. La posibilidad de formación de sales de ácidos orgánicos y la diferente solubilidad de las mismas derivaría en cambios en los comportamientos mecánicos. La proporción de compuestos de aluminio o la presencia de puzolanas capaces de fijar el calcio son también factores evidenciados como determinantes en el comportamiento del material. Además se podría afirmar que la disolución de la portlandita es un efecto determinante en el proceso de degradación. Nowadays, cement based materials (pastes, mortars, concrete and other mixtures) are widely used. These kinds of material are one of the pillars of Civil Engineering due to their structural properties, easy manufacturing and low cost. Their properties allow the use in industrial and natural environments. They are very versatile materials for use in this type of environment. But it is necessary to to keep in mind that they have a durability limited when they are exposed to aggressives environments where leaching process occur and various aggressive ions can damage the materials. This research work was developed motivated by the need to go in dept in the knoledge of the behavior of cement based materials. These kinds of materials frecuently are exposed to some types of damage that occur on farms located in natural environments. An experimental procedure that would allow us to evaluate the effect of organic acids on the cement matrix and the action presented by sulfates and natural waters in the same was designed. Always bearing in mind the characteristics of the solutions to which the material is exposed. Ultimately it comes to understanding the mechanisms of the processes leading to define the material behavior in this type of environment. Test procedures and characterization techniques are fundamental tools which to deepen the knowledge of the material, so it is important to know in its potential uses. In this work we have developed a deep study of the use of thermal analysis in the characterization of cement pastes. Furthermore, we have optimized characterization procedures of samples with other techniques. The characterization of the samples has allowed us to check the behavior of the material on exposure to accelerated laboratory tests. The results have established that the pH of the corrosive media is a fundamental variable when it comes to assessing the aggressiveness of it. The presences of certain ions develop synergies with respect to pH and would determine the values of the constants governing thermodynamic equilibria. The possible formation of salts of organic acids and the different solubility of the same would lead to changes in mechanical behavior. The proportion of aluminum compounds or the presence of pozzolans capable of binding calcium is also evidenced as determining factors in the material behavior. Besides we could assert that the dissolution of the portlandite is a determining effect on the degradation process.

Estudio de las distribuciones tensionales y de las resistencias de los rellenos de pasta de la mina subterránea de Aguas Teñidas (Huelva)

This thesis presents the study carried out at an underground mine to understand the stress distribution in the paste fills and to calculate the stability of the paste walls in the primary and secondary stopes. The mine is operated using sublevel stopes and fan blasting. The primary and secondary stopes are 20m wide, 30m high and between 20 and 60m long. Three-dimensional numerical models designed with the FLAC 3D software programme are used to study the distribution of the vertical stresses in the paste walls exposed in the primary and secondary stopes, and their evolution as the mining advance increases. The numerical models have demonstrated that an arc-like effect is produced in the paste fills of the primary stopes, that is, those which have either lateral walls in mineral or rock. This effect relieves the vertical stresses and increases the stability of the exposed paste wall fill. From the study, it is deduced that in this type of stope, the fill stability can be calculated using the formula established by Mitchell, (Mitchell, Olsen, and Smith 1982, 14-28). Based on the results of the numerical models, in the 30m high secondary stopes, the arc effect starts to be evident only in paste walls with a width/height ratio lower than 0.7. 3-D calculations show that the use of Mitchell formula may be risky when estimating the fill stability in secondary stopes. Therefore, in these cases, the traditional two-dimensional method for calculating the stability of vertical slopes on cohesive saturated soils in the short term should be used. However this method may give conservative results for paste walls in secondary stopes with a width/height ratio below 0.5. RESUMEN Esta Tesis presenta el estudio realizado en la mina subterránea de Aguas Teñidas (Huelva, España) para comprender la distribución de tensiones en los rellenos de pasta y calcular la estabilidad de las paredes de pasta en las cámaras primarias y secundarias. El método de explotación utilizado en esta mina es el de cámaras con subniveles y voladura en abanico. Las cámaras primarias y secundarias tienen una anchura de 20 m, una altura de 30 m y una longitud variable entre 20 y 60 m. Mediante modelos numéricos tridimensionales realizados con el programa FLAC 3D se ha estudiado la distribución de las tensiones verticales en las paredes de pasta que quedan expuestas en las cámaras primarias y secundarias, y su evolución a medida que aumenta la superficie explotada. La modelización numérica ha puesto de manifiesto que se produce efecto arco en los rellenos de pasta de las cámaras primarias, o sea, aquellas que tienen ambos hastiales en mineral o en roca. Este efecto aligera las tensiones verticales y aumenta la estabilidad del relleno de la pared de pasta expuesta. De acuerdo con los resultados de los modelos numéricos, en las cámaras secundarias de 30 m de alto, el efecto arco empieza a manifestarse solamente en las paredes de pasta de relación anchura/altura menor de 0,7. Los cálculos realizados en tres dimensiones indican que la fórmula de Mitchell (Mitchell, Olsen, y Smith 1982, 14-28) puede resultar arriesgada para estimar la estabilidad del relleno en este tipo de cámaras. Por consiguiente, se recomienda utilizar en estos casos el método que tradicionalmente se ha empleado para calcular la estabilidad de taludes verticales en suelos cohesivos a corto plazo, en dos dimensiones. Aunque este método puede resultar conservador para paredes de pasta de cámaras secundarias con una relación anchura/altura inferior a 0,5. Para usar relleno de pasta para el sostenimiento en minería subterránea hay que tener en cuenta el cálculo de los parámetros de diseño, optimización de la mezcla, cualidades de bombeo y la operación de transporte al interior de la mina. Los gastos de ésta operación minera son importantes ya que pueden representar hasta de 20%.