Resumen de Cementos preparados con residuos Norm (normally occurring radioactive materials). Nueva metodología de caracterización radiológica
El aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) a la atmósfera, producido por las actividades humanas, está provocando el conocido ¿Cambio Climático¿. El sector industrial que más contribuye a estas emisiones es el sector de la edificación y de la construcción (el 37% de las emisiones de GEI a nivel mundial). Esto ha motivado la necesidad de fomentar, en este sector industrial, el desarrollo de una ¿Construcción Sostenible¿ y de sumarse a los modelos de producción como el de la ¿Economía Circular¿. Ambas actuaciones están directamente relacionadas con algunos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), tales como los ODS 9, 11 o 13.
Se entiende por ¿Construcción Sostenible¿ a un modo de construcción basado en el respeto al entorno y el medio ambiente, que implica el uso eficiente de la energía, el agua y los recursos y de materiales no perjudiciales para el medio ambiente. Una de las vías científicas y tecnológicas más ampliamente utilizadas para alcanzar esos objetivos de sostenibilidad en el sector de la construcción es la reutilización de residuos y/o subproductos industriales (de diferente origen y naturaleza) en la preparación de materiales de construcción más eco-eficientes y/o sostenibles. Estos residuos y/o subproductos industriales pueden ser SCM (Supplementary Cementitious Materials) que se emplean en la preparación de estos cementos y hormigones eco-eficientes.
Muchos de estos SCM pueden ser materiales NORM (Normally Occurring Radioactive Materials), que se definen como aquellos materiales radiactivos de procedencia natural sobre los que cualquier actividad tecnológica humana puede incrementar su contenido radiológico con respecto al material original. Estos residuos y/o subproductos pueden estar también enriquecidos (por su propio proceso de generación) de metales pesados, y otros componentes químicos no deseables (además de esos altos contenidos de radiactividad natural) lo que puede condicionar su empleo como materiales alternativos y/o secundarios en la preparación de materiales de construcción. Por tanto, es necesario un estudio profundo y realista de dichos residuos y subproductos industriales previo a su utilización en la preparación de estos materiales de construcción. Estos materiales deben de ser controlados desde el punto de vista radiológico para garantizar que no suponen un riesgo para la salud de la población, seres vivos y el medioambiente, ya que su incorporación puede incrementar el contenido radiológico de los cementos y hormigones eco-eficientes fabricados con ellos.
Unos subproductos industriales que se emplean como SCM en la preparación de cementos y hormigones eco-eficientes y sostenibles y además son un residuo NORM son las cenizas volantes generadas en las centrales térmicas de combustión de carbón (en concreto aquellas con altos contenidos en SiO2 y Al2O3, las denominadas tipo F según norma ASTM C618). Con estas cenizas se pueden preparar cementos en los que dichas cenizas (como SCM) sustituyen parcialmente al clinker de cemento Portland o bien son el componente principal de los denominados cementos activados alcalinamente (geopolímeros) o cementos híbridos.
Debido a lo anteriormente expuesto se hace necesario conocer todas las implicaciones técnicas y medioambientales que suponen la incorporación y utilización de estas cenizas volantes como SCM en la preparación de cementos eco-eficientes. Hasta la fecha no se tenía un conocimiento preciso del efecto de la ceniza volante sobre la radiactividad de las pastas de cementos eco-eficientes.
La Directiva Europea 2013/59/EURATOM en su artículo 75 establece una herramienta de cribado para la radiación gamma emitida por los materiales de construcción denominada índice de concentración de actividad gamma (Activity Concentration Index, ACI). El ACI establece que, para un recinto cerrado de unas dimensiones dadas, no se supere el exceso de dosis efectiva debida a la radiación gamma externa de 1 mSv¿y-1. Este índice se aplica al material de construcción, no a sus componentes, excepto cuando dichos componentes son por sí mismos materiales de construcción y se evalúan de manera separada como tales.
Hasta la fecha la determinación del contenido radiológico y de los índices de concentración de actividad (ACI) en los materiales de construcción se realizaba por espectrometría gamma en muestras que debían ser molidas y tamizadas. Aunque los resultados eran correctos no reproducían las condiciones del material de construcción final, ya que estos, en su estado natural, se encuentran en estado rígido debido a las microestructuras que se desarrollan por los procesos de hidratación/reacción que se producen en los mismos. Por esta razón, se hace necesario desarrollar un nuevo procedimiento de medida para determinar el contenido radiológico y el índice de concentración de actividad (ACI) por espectrometría gamma en pastas de cemento Portland endurecidas (muestras sólidas), que permitiese establecer una correlación con los desarrollos resistentes, la composición y las microestructuras desarrolladas en dichas pastas.
Por tanto, el objetivo general que se planteó en la presente Tesis Doctoral fue desarrollar un nuevo procedimiento de medida eficaz y reproducible por espectrometría gamma en pastas de cemento Portland (OPC) y eco-eficientes endurecidas en estado sólido y monolítico y no pulverulento. Para ello, en esta Memoria se ha seleccionado como tamaño de los monolíticos sólidos de pasta de cemento unos cubos de 5 cm x 5 cm x 5 cm que se adapta a los requerimientos de las normativas internacionales y europeas (ASTM C109/109-21 y EN 196-2:2014) para el ensayo de muestras de mortero de cemento Portland y a los requerimientos de los detectores gamma.
Para la consecución de dicho objetivo general, se han planteado unos objetivos específicos. El objetivo específico 1 planteado en este estudio fue: el establecimiento de las condiciones de medida más adecuadas y eficientes por espectrometría gamma para la propuesta de un nuevo procedimiento de determinación del índice de concentración de actividad (ACI) y composición radiológica en pastas de cemento Portland (OPC) endurecidas en estado sólido o monolítico (cubos de 5 cm x 5 cm x 5 cm); estableciendo el efecto de las variables asociadas a la técnica (límite de detección de la concentración de actividad de radionucleidos, exactitud, reproducibilidad, incertidumbre) y a la muestra sólida (tiempo de reacción y/o hidratación, altura o cara de la muestra monolítica).
Los resultados obtenidos mostraron la reproducibilidad necesaria para la determinación de la concentración de actividad de los radionucleidos necesarios para el cálculo del ACI en pastas de cemento Portland endurecidas correspondiente a la geometría propuesta en esta Memoria (cubos de 5 cm x 5 cm x 5 cm).
El objetivo específico 2 de esta Tesis Doctoral, que consistió en la validación de la nueva metodología desarrollada sobre muestras reales de pastas de cemento eco-eficientes. En concreto en pastas de cemento en las que se ha utilizado una ceniza volante de combustión de carbón tipo F (Fly Ash, FA), según norma ASTM C6182.1, como Supplementary Cementitious Materials -SCM- y como componente básico en la composición de cementos eco-eficientes anhidros. El estudio se ha llevado a cabo sobre las siguientes pastas de cementos eco-eficientes, considerando en cada caso las variables que afectan al comportamiento mecánico, a la composición y a la microestructura de las pastas de cemento finales: i) Validación sobre pastas de cemento Portland con contenidos variables de ceniza volante (hasta un 30% en peso). Estudiando el efecto del contenido de FA en el desarrollo resistente, en la composición y en las microestructuras desarrolladas.
ii) Validación sobre pastas de cemento híbrido alcalino con contenidos de OPC/FA del 30/70 (en peso). Estudiando el efecto de la naturaleza del activador alcalino, del tiempo y condiciones de curado de las pastas en el desarrollo resistente, en la composición y en las microestructuras desarrolladas.
