Viabilidad de uso de subproductos industriales en la fabricación de materiales en base cemento
- Autores: Julia Rosales García
- Directores de la Tesis: Francisco Agrela Sainz (dir. tes.), Manuel Cabrera Montenegro (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jorge de Brito (presid.), Adela Pérez Galvín (secret.), Carlos Thomas García (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Agraria, Alimentaria, Forestal y del Desarrollo Rural Sostenible por la Universidad de Córdoba y la Universidad de Sevilla
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
1. Introducción o motivación de la tesis La generación y gestión de cualquier tipo de residuos es un grave problema de la sociedad actual que prolifera a medida que avanza el desarrollo tecnológico. Por lo tanto, la reducción de su generación y su manejo apropiado son necesarios para evitar serios impactos en el medio ambiente que pueden afectar a los ecosistemas y la salud humana (Harper C. et al 2017). Es necesario cambiar el modelo de crecimiento basado en la secuencia lineal “tomar-fabricar-consumir y eliminar” hacia una economía circular centrada en el aprovechamiento de recursos y aumento del tiempo de vida útil. La industria de la construcción tiene el desafío de incorporar este modelo y la sostenibilidad en sus procesos de producción, ya sea buscando nuevas materias primas y productos más respetuosos con el medio ambiente y/o contribuyendo a la reducción del CO2 en la atmósfera. El uso de residuos y subproductos en este sector representa una forma importante de recuperación y puede ayudar a lograr este objetivo.
Desde hace algunos años, numerosas investigaciones se han realizado para conocer las propiedades de diferentes residuos. Como el uso de áridos reciclados como material sustituto de áridos naturales en diferentes elementos constructivos, como carreteras, explanaciones, etc (Jiménez J.R. et al, 2011; Agrela F. et al, 2012; Poon C.S. et al, 2006; Pérez P. et al. 2013). Existen diversos estudios, pero escasas aplicaciones.
Por otro lado, la fabricación de materiales en base cemento con residuos está en auge, en los últimos años, cada vez más investigadores buscan una alternativa para la fabricación de materiales tratados con cemento y hormigones (Mas B. et al 2012; Rajamma R. et al 2009; Beltrán M.G. 2014). En la actualidad, la incorporación de subproductos industriales como materia prima en el sector de la construcción están siendo motivo de estudio (Ortiz O. et al, 2009; Sev A., 2009; Pacheco-Torgal F. et al, 2014).
En este contexto, surge la investigación desarrollada, cuyo objetivo es analizar desde el punto de vista de la sostenibilidad, la reutilización de residuos procedentes de diferentes focos industriales muy potentes en Andalucía, España y a nivel mundial como sustitutivo de las materias primas utilizadas en la fabricación de materiales en base cemento. Para de esta forma, conseguir el fin de condición de residuo y catalogarlos como subproductos, demostrando que las propiedades de los mismos los caracterizan como materias primas potenciales para la fabricación de materiales en base cemento.
Basándonos en los resultados previos obtenidos por diferentes investigadores en relación a las propiedades de los residuos y su viabilidad de uso (Cabrera M. et al, 2014; Beltrán M.G. et al, 2016; Huaiwei Z. et al, 2011; Pérez-López R. et al, 2010). Esta investigación se centra en el desarrollo de nuevos e innovadores materiales base-cemento que incorporan cenizas de fondo de biomasa (CFB), áridos reciclados mixtos (ARM), escorias de acero inoxidable (EAI) y fosfoyeso (FY) para su aplicación integral en construcción, analizando su viabilidad técnica y ambiental para potenciar su uso.
2. Contenido de la investigación La fase experimental se divide en 6 bloques diferenciados. Previamente al desarrollo de esta fase se realizó una exhaustiva revisión bibliográfica que llevó al planteamiento de la siguiente metodología. En primer lugar, se desarrolla un estudio previo de las propiedades de los diferentes residuos industriales bases del estudio, además de la posibilidad de aplicación de diferentes procesamientos sencillos que potencien las propiedades cementantes de los residuos. Una vez analizados, se aplican como sustitutos de materias primas tradicionales utilizadas en diferentes materiales constructivos en base cemento, analizando sus propiedades técnicas, de durabilidad y medioambientales. De forma más detallada, la investigación se desarrolla en los siguientes bloques:
• Bloque 1: Caracterización física y química de los residuos industriales, para determinar la viabilidad de uso en materiales en base cemento de acuerdo con las propiedades obtenidas.
• Bloque 2: Procesamiento de los residuos industriales. Se llevan a cabo procesos sencillos de calcinación, trituración, lavado, eliminación de partículas ligeras y diferentes combinaciones entre ellos para la evaluación de la influencia de este tipo de tratamiento en las propiedades físico-químicas de los subproductos industriales y como contribuye su uso en la mejora de las propiedades cementantes de morteros de cemento.
• Bloque 3: Fabricación de hormigón ligero mediante el uso de CFB y ARM como sustituto de áridos naturales. En función a los resultados obtenidos en el bloque 1, los cuales reflejan la baja densidad de las CFB, se lleva a cabo el estudio de la viabilidad de uso de estos subproductos industriales en diferentes tasas de reemplazo estudiando las características físicas que adquiere el hormigón ligero y su comportamiento mecánico y durabilidad.
• Bloque 4: Fabricación de mezclas de CFB con arcilla expansiva para evaluar la viabilidad de uso de este subproducto como estabilizador de suelo. Al igual que se desarrolla, en el bloque anterior, considerando las propiedades físico-químicas de las CFB analizadas previamente, y evaluando el comportamiento en la fabricación de hormigón. Se desarrolla el estudio de las propiedades físicas, mineralógicas y el comportamiento mecánico de diferentes mezclas de suelo expansivo con CFB para demostrar la posibilidad de aplicación de este subproducto como material estabilizador de suelo, comparándolo con estabilizadores utilizados tradicionalmente.
• Bloque 5: Estudio de las propiedades cementantes de diferentes subproductos industriales como sustituto de materias primas en la fabricación de morteros de cemento. El análisis de las características físico-químicas de los materiales aplicándoles o no tratamiento mostrados en el bloque 1 y 2 revelaron que estos subproductos poseían propiedades internas intrínsecas que posibilitaban su uso como un sustituto de cemento, del árido natural, incluso del yeso natural en la fabricación de cementos.
Por ese motivo se desarrollaron tres estudios diferentes evaluando cada uno de los subproductos industriales con los diferentes tratamientos. Se fabricaron morteros de cemento con diferentes dosificaciones para analizar la influencia de la aplicación de estos materiales en las propiedades físicas, comportamiento mecánico, durabilidad y mineralogía adquiridas. De esta manera, se obtuvo un porcentaje de sustitución y un tratamiento óptimo para cada uno de los subproductos, mostrando una mejora en las propiedades de los morteros fabricados.
• Bloque 6: Estudio del impacto ambiental de CFB, EAI y FY. En este bloque se estudia el impacto medioambiental que causa la aplicación de los subproductos industriales mediante el análisis de lixiviados de metales pesados.
3. Conclusión Por consiguiente, y basándonos en la investigación desarrollada en la presente Tesis Doctoral las conclusiones obtenidas son las siguientes:
- En relación a las propiedades físico-químicas de los residuos industriales estudiados. El alto contenido en Si y Ca en las EAI y CFB lleva a considerar la capacidad puzolánica positiva de ambos residuos. Al igual que ocurre al analizar los altos valores de Ca y S en el FY.
- La aplicación de tratamientos sencillos lleva a una modificación de las propiedades físicas y químicas del material. Tratamientos sencillos de calcinación, trituración o eliminación de partículas ligeras en las CFB lleva a una reducción del contenido de materia orgánica que está directamente relacionado con la mejora del comportamiento mecánico. De forma similar, se obtuvieron mejores resultados de comportamiento mecánico en morteros fabricados con EAI procesadas.
- Se demuestra que el uso combinado de ARM y CFB como sustituto de áridos naturales en la fabricación de hormigón ligero da como resultado un material de reducida densidad y características técnicas que cumplen con los requisitos mínimos establecidos.
Las propiedades de las CFB con alto contenido en sílice y alúmina muestran también la viabilidad de uso como sustitutivo de cemento y/o cal en la estabilización de suelos expansivos, mejorando los terrenos expansivos mediante la consolidación de su estructura y el aumento de la capacidad del soporte y resistencia efectiva.
Así como, las características intrínsecas de las CFB y las modificaciones internas producidas mediante procesamientos sencillos demuestran que la aplicación de CFB procesado como un sustituto del cemento en la producción de morteros es factible mediante tratamientos de trituración y combustión llegando a porcentajes de sustitución de hasta el 20%.
- Mediante la aplicación de un análisis multivariante se clasifican las EAI según su durabilidad, comportamiento mecánico, tratamiento y tasa de reemplazo. En general, este análisis muestra el reemplazo de cemento por EAI mejora las propiedades mecánicas hasta cierto grado de sustitución. Es recomendable reemplazar hasta 20% de cemento con EAI triturado, obteniéndose valores similares al Control. Por otro lado, para la sustitución de más del 20%, es necesario un proceso combinado de trituración y calcinación.
- A través del presente estudio, además de la posibilidad de aplicación de ARM, CFB y EAI en diferentes materiales en base cemento se ha demostrado la viabilidad de uso de FY como sustituto de yeso natural en la fabricación de morteros de cemento. Este subproducto actúa como regulador de fraguado y como adición mineral, mejorando las propiedades técnicas y mecánicas de los morteros de cemento.
Por tanto y de manera general podemos obtener las siguientes conclusiones:
Los áridos reciclados mixtos, cenizas de fondo de biomasa, escorias de acero inoxidable y fosfoyeso se consideran subproductos industriales con elevado potencial para ser reutilizado en la fabricación de materiales en base cemento, consiguiendo de esta forma introducirlos como nuevos recursos en el proceso de producción para avanzar hacia la consolidación de economía circular.
El estudio de estos subproductos ha demostrado su viabilidad de uso como sustituto de áridos naturales, cemento y yeso natural en diferentes materiales de construcción en base cemento y como estabilizador de suelos expansivos; demostrando a lo largo de la investigación desarrollada las características puzolánicas que poseen dichos materiales. La utilización de estos subproductos contribuye a una construcción sostenible, mejorando en ciertas medias las propiedades de los elementos constructivos tradicionales. Consiguiéndose mediante su aplicación una reducción del consumo de recursos naturales, reducción de la acumulación en vertedero con el impacto ambiental que esto conlleva y un material resultante de mejores características técnicas.
4. Bibliografía Agrela, F., Barbudo, A., Ramírez, A., Ayuso, J., Carvajal, M. D., & Jiménez, J. R. (2012). Construction of road sections using mixed recycled aggregates treated with cement in Malaga, Spain. Resources, Conservation and Recycling, 58, 98-106.
Beltrán, M. G., Agrela, F., Barbudo, A., Ayuso, J., & Ramírez, A. (2014). Mechanical and durability properties of concretes manufactured with biomass bottom ash and recycled coarse aggregates. Construction and Building Materials, 72, 231-238.
Beltrán, M. G., Barbudo, A., Agrela, F., Jiménez, J. R., & de Brito, J. (2016). Mechanical performance of bedding mortars made with olive biomass bottom ash. Construction and Building Materials, 112, 699-707.
Cabrera, M., Galvin, A. P., Agrela, F., Carvajal, M. D., & Ayuso, J. (2014). Characterisation and technical feasibility of using biomass bottom ash for civil infrastructures. Construction and Building Materials, 58, 234-244.
Harper, C., Harper, C. L., & Snowden, M. (2017). Environment and society: Human perspectives on environmental issues. Routledge.
Huaiwei, Z., & Xin, H. (2011). An overview for the utilization of wastes from stainless steel industries. Resources, Conservation and Recycling, 55(8), 745-754.
Jiménez, J. R., Agrela, F., Ayuso, J., & López, M. (2011). A comparative study of recycled aggregates from concrete and mixed debris as material for unbound road sub-base. Materiales de Construcción, 61(302), 289-302.
Mas, B., Cladera, A., Del Olmo, T., & Pitarch, F. (2012). Influence of the amount of mixed recycled aggregates on the properties of concrete for non-structural use. Construction and Building Materials, 27(1), 612-622.
Ortiz, O., Castells, F., & Sonnemann, G. (2009). Sustainability in the construction industry: A review of recent developments based on LCA. Construction and building materials, 23(1), 28-39.
Pacheco-Torgal, F., Cabeza, L. F., Labrincha, J., & De Magalhaes, A. G. (2014). Eco-efficient construction and building materials: life cycle assessment (LCA), eco-labelling and case studies. woodhead Publishing.
Pérez, P., Agrela, F., Herrador, R., & Ordoñez, J. (2013). Application of cement-treated recycled materials in the construction of a section of road in Malaga, Spain. Construction and Building Materials, 44, 593-599.
Pérez-López, R., Nieto, J. M., López-Coto, I., Aguado, J. L., Bolívar, J. P., & Santisteban, M. (2010). Dynamics of contaminants in phosphogypsum of the fertilizer industry of Huelva (SW Spain): from phosphate rock ore to the environment. Applied Geochemistry, 25(5), 705-715.
Poon, C. S., & Chan, D. (2006). Feasible use of recycled concrete aggregates and crushed clay brick as unbound road sub-base. Construction and building materials, 20(8), 578-585.
Rajamma, R., Ball, R. J., Tarelho, L. A., Allen, G. C., Labrincha, J. A., & Ferreira, V. M. (2009). Characterisation and use of biomass fly ash in cement-based materials. Journal of hazardous materials, 172(2-3), 1049-1060.
Sev, A. (2009). How can the construction industry contribute to sustainable development? A conceptual framework. Sustainable Development, 17(3), 161-173.
