Desarrollo de materiales cementantes de baja huella de carbono para aplicaciones en la industria de la construcción y adaptación para fabricación aditiva en arquitectura de bajo impacto ambiental
- Autores: Víctor Martínez Pacheco
- Directores de la Tesis: Carlos José Parra Costa (dir. tes.), Pilar Hidalgo Torrano (codir. tes.), Ángel Palomo Sánchez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Cartagena ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Número de páginas: 192
- Títulos paralelos:
- Development of low carbón footprint cementitious materials for applications in the constrruction industry and adaptation for additive manufacturing in low environmenmtal impact architecture
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Valcuende Payá (presid.), Isidro Sánchez Martín (secret.), Isabel Miñano Belmonte (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnología y Modelización en Ingeniería Civil, Minera y Ambiental por la Universidad Politécnica de Cartagena
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Repositorio Digital de la UPCT
- Resumen
- español
Resumen de la tesis:
El uso de cementos de baja huella de carbono alternativos al cemento Pórtland tradicional se postula como una solución viable para la reducción efectiva de las emisiones de efecto invernadero. Estos cementos, a su vez, permiten el empleo de residuos como materia prima, lo que implica un mejor comportamiento medioambiental, posibilitando la economía circular en la construcción.
Por otro lado, el empleo de tecnologías como la fabricación aditiva habilita una mejora significativa de los procesos constructivos, posibilitando una reducción significativa de consumos y con ello, la mejora medioambiental de la industria de la construcción.
Es por ello por lo que este trabajo aborda, por un lado, el desarrollo de mecanismos alternativos a los materiales cementantes tradicionales que impliquen una reducción de la huella de carbono y el estudio de su producción a partir de residuos, poniendo especial foco en aquellos aptos para una implantación en el mercado de la construcción. Por otro lado, dado el papel que puede desempeñar la fabricación aditiva en el futuro de la construcción, se estudia viabilidad reológica de los materiales desarrollados y su adaptación para la impresión 3D.
Esta Tesis Doctoral consta de tres campañas experimentales principales. Por un lado, se ha llevado a cabo el desarrollo de cuatro mecanismos alternativos al cemento Pórtland tradicional, discriminando las formulaciones que no cumplían los requisitos de aplicación a gran escala inmediata y seleccionando aquellas que presentaban mejores características de cada uno de los mecanismos, a continuación se ha evaluado las emisiones de gases de efecto invernadero de cada formulación desarrollada, cuantificando las emisiones de dióxido de carbono equivalente, y finalmente, se ha adaptado cada material para su empleo en fabricación aditiva en construcción.
El desarrollo de los mecanismos alternativos al cemento Pórtland ha tenido como objetivo la reducción de los contenidos de clínker en los cementos, cuya compatibilidad con las normativas actuales y los requisitos del material permitieran su aplicación. Los cuatro mecanismos alternativos con los que se han desarrollado los cementos de esta Tesis han sido: cementos activados alcalinamente, cementos sobresulfatados, cementos híbridos con activación alcalina y cementos de arcillas calcinadas. En el caso de los cementos activados alcalinamente, al encontrarse fuera de norma, pero presentar muy buenas prestaciones y un excelente comportamiento ambiental, se decidió llevar a cabo una campaña experimenta demostrativa, construyendo un prototipo a escala real de la fachada de un edificio con el material desarrollado.
La modelización y simulación de los ciclos de vida se ha llevado a cabo mediante la herramienta de cálculo de ACV SimaPro 9.4.0.2 PhD, con el empleo de la base de datos Ecoinvent v.3.8 (2021). Se han estudiado las etapas A1-A3 en el análisis de ciclo de vida empleando el método de cálculo IPCC 2021 Global Warming Potential 100.
La adaptación de los materiales para impresión 3D se ha llevado a cabo mediante la incorporación de aditivos modificadores de la tixotropía. Se ha cuantificado la modificación de la viscosidad mediante ensayos reológicos y se ha adaptado el contenido de cada aditivo a los requerimientos de cada fórmula. Las fórmulas se han probado e iterado en una impresora 3D de hormigón hasta alcanzar las dosificaciones viables para fabricación aditiva. Se han producido piezas demostrativas mediante impresión 3D con cada uno de los materiales.
Se ha demostrado la viabilidad técnica, el encaje normativo y la mejora ambiental de las fórmulas alternativas al cemento Pórtland tradicional desarrolladas, así como la viabilidad para su aplicación en construcciones realizadas mediante fabricación aditiva.
http://repositorio.bib.upct.es/dspace/
- English
The use of low carbon footprint cements as an alternative to traditional Portland cement is a viable solution for the effective reduction of greenhouse gas emissions. These cements, in turn, allow the use of waste as raw material, which implies a better environmental performance, enabling the circular economy in construction. On the other hand, the use of technologies such as additive manufacturing enables a significant improvement in construction processes, allowing a significant reduction in consumption and thus, the environmental improvement of the construction industry. This is why this work addresses, on the one hand, the development of alternative mechanisms to traditional cementitious materials that involve a reduction of the carbon footprint and the study of their production from waste, with a special focus on those suitable for implementation in the construction market. On the other hand, given the role that additive manufacturing can play in the future of construction, the rheological viability of the materials developed and their adaptation for 3D printing are studied. This Doctoral Thesis consists of three main experimental campaigns. On the one hand, the development of four alternative mechanisms to traditional Portland cement has been carried out, discriminating the formulations that did not meet the requirements for immediate large-scale application and selecting those that presented the best characteristics of each of the mechanisms. Next, the greenhouse gas emissions of each formulation developed have been evaluated, quantifying the equivalent carbon dioxide emissions, and finally, each material has been adapted for use in additive manufacturing in construction. The development of the alternative mechanisms to Portland cement was aimed at reducing the clinker content in cements whose compatibility with current regulations and the requirements of the material allowed their application. The four alternative mechanisms with which the cements of this Thesis have been developed are: alkaline activated cements, supersulphated cements, hybrid cements with alkaline activation and calcined clay cements. In the case of alkaline- activated cements, as they are outside the norm, but have very good performance and excellent environmental behaviour, it was decided to carry out a demonstrative experimental campaign, constructing a full-scale prototype of the façade of a building with the material developed. The modelling and simulation of the life cycles was carried out using the LCA calculation tool SimaPro 9.4.0.2 PhD, with the use of the Ecoinvent v.3.8 (2021) database. Stages A1-A3 in the life cycle analysis have been studied using the IPCC 2021 Global Warming Potential 100 calculation method. The adaptation of the materials for 3D printing was carried out by incorporating thixotropy modifying additives. Viscosity modification has been quantified by rheological tests and the content of each additive has been adapted to the requirements of each formula. The formulas have been tested and iterated in a 3D concrete printer until the feasible dosages for additive manufacturing were reached. Demonstration parts have been produced by 3D printing with each of the materials. The technical feasibility, the regulatory fit and the environmental improvement of the alternative formulas to traditional Portland cement developed have been demonstrated, as well as the feasibility for their application in constructions carried out by additive manufacturin
- español
