Use of industrial waste as an opportunity to improve sustainability of alkali-activated materials

• Autores: Anas Amin Alrawashdeh
• Directores de la Tesis: María Martín Morales (codir. tes.), Montserrat Zamorano Toro (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2026
• Idioma: inglés
• ISBN: 9791370152970
• Número de páginas: 264
• Títulos paralelos:
  • Uso de residuos industriales como una oportunidad para mejorar la sostenibilidad de los materiales activados alcalinamente
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
• Resumen
  • español

    La rápida urbanización y la expansión continua del sector de la construcción están incrementando la demanda de ligantes cementicios, a la vez que intensifican la huella ambiental del entorno construido. El cemento Portland ordinario (OPC) sigue siendo el ligante dominante en la infraestructura de hormigón; sin embargo, su fabricación es intrínsecamente intensiva en energía y en emisiones de CO₂ debido a la producción de clínker a alta temperatura y a las emisiones de proceso asociadas a la calcinación. Estas presiones han acelerado la búsqueda de ligantes alternativos capaces de ofrecer un desempeño ingenieril competitivo con impactos ambientales reducidos. En este contexto, los geopolímeros (GPs) y los materiales alcalinamente activados (AAMs) se encuentran entre las alternativas más prometedoras, al proporcionar elevada resistencia y durabilidad, y permitir simultáneamente la valorización de residuos y subproductos industriales. La sustitución de materias primas vírgenes por recursos secundarios de esta naturaleza permite conservar las reservas naturales, reducir la necesidad intensiva de energía en extracción y procesamiento, eliminar residuos del vertido y, con ello, contribuir a la disminución de emisiones, apoyando la mitigación de la degradación ambiental y del calentamiento global. Estos ligantes se producen mediante activación alcalina de precursores ricos en aluminosilicatos y/o en calcio, generando productos de reacción capaces de formar matrices densas y favorecer un desarrollo rápido de resistencia. No obstante, la ventaja de sostenibilidad no es automática: la producción de activadores alcalinos convencionales—especialmente soluciones concentradas de silicato de sodio y NaOH/KOH—puede dominar los impactos ambientales e introducir restricciones prácticas asociadas a la manipulación segura, requisitos regulatorios y dependencia de la disponibilidad en la cadena de suministro. Por ello, esta investigación analiza residuos industriales y derivados de biomasa no solo como precursores alternativos, sino también como fuentes potenciales de alcalinidad, con el propósito de reducir la dependencia de activadores manufacturados mediante una ruta de desarrollo estructurada y guiada por la evidencia. El trabajo se organiza en cuatro etapas conectadas: (i) detectar y evaluar críticamente la evolución de las tecnologías de geopolímeros/materiales activados alcalinamente (GP/AAM) e identificar las barreras clave que limitan una implementación más amplia; (ii) desarrollar un marco de trabajo orientado a la toma de decisiones que vincule la caracterización de residuos con indicadores prácticos de desempeño (incluida la integridad temprana y la estabilidad por inmersión), permitiendo una asignación realista de funciones (como precursor primario, componente reactivo suplementario o contribuyente de alcalinidad); (iii) validar experimentalmente rutas de ligantes basadas en los materiales candidatos seleccionados, incluyendo su uso como precursor alternativo en un sistema de dos partes y el desarrollo de un ligante en una sola parte (“solo añadir agua”), donde la alcalinidad interna pueda sustituir parcial o totalmente a los activadores externos; y (iv) cuantificar el desempeño ambiental mediante un análisis de ciclo de vida (ACV) comparativo robusto desde la cuna a la puerta, utilizando indicadores ReCiPe 2016 Midpoint (H) para comparar los ligantes candidatos frente a sistemas de referencia convencionales y confirmar los beneficios de sostenibilidad junto con el desempeño técnico. La ceniza volante de gasificación forestal (GFF) se identificó como una materia prima de alto potencial pero insuficientemente explorada para ligantes activados alcalinamente. No se han encontrado estudios previos que investiguen explícitamente la GFF como precursor de geopolímeros/AAM o como fuente sólida alcalina, lo que convierte su evaluación en una contribución novedosa al estado del conocimiento. Se priorizó la GFF debido a que puede incorporarse sin pretratamiento térmico o mecánico y, en función de su composición y reactividad, se espera que contribuya como precursor reactivo así como en forma de fuente alcalina capaz de promover la activación sin depender exclusivamente de soluciones alcalinas comerciales. Los ensayos de disolución respaldaron este doble rol, evidenciando una movilización sustancial de especies solubles y el desarrollo de una solución puramente altamente alcalina (pH ≈ 13.13), lo que indica que la GFF puede proporcionar el ambiente químico requerido para la disolución y la subsecuente formación de geles. Se establecieron dos rutas de ligante. En el sistema geopolimérico metacaolín (MK)–GFF, el reemplazo del 20% de GFF mejoró el desempeño temprano, incrementando la resistencia a compresión a 7 días de 37 a 43.3 MPa. Sin embargo, a altos niveles de reemplazo, la GFF provocó fraguado rápido (~5 min) y redujo la cohesión; el 100% de reemplazo aún formó un ligante endurecido, pero la resistencia descendió a 15.4 MPa. En paralelo, se produjo exitosamente un AAM híbrido de una sola parte (solo agua) mediante mezcla en seco de escoria granulada de alto horno molida (GGBS) con GFF, evitando activadores líquidos y cualquier pretratamiento térmico/mecánico. La mezcla híbrida de mejor desempeño (60% GGBS + 40% GFF; w/b = 0.35; pH de pasta ≈ 12.71) alcanzó una ventana práctica de fraguado (~215/270 min) y las mayores resistencias a 28 días (≈32.93 MPa a compresión; ≈5.62 MPa a flexión). La verificación ambiental demostró que las conclusiones son sensibles a la unidad funcional, obteniéndose jerarquizaciones diferentes cuando los impactos se expresan por unidad de volumen de pasta frente a cuando se normalizan por resistencia a compresión. Para la serie geopolimérica MK–GFF, el incremento de sustitución de GFF-0 a GFF-100 redujo el potencial de calentamiento global de 1155.79 a 727.50 kg CO₂-eq por 1 m³ de pasta (≈37% de reducción), y las mezclas con mayor GFF lograron impactos de calentamiento global entre 4.1 y 34.5% inferiores al referente de OPC (1110.53 kg CO₂-eq por 1 m³ de pasta) sobre la misma base volumétrica. No obstante, en una base normalizada por resistencia, la menor intensidad climática dentro de la serie MK–GFF se obtuvo en GFF-20 (24.321 kg CO₂-eq/MPa), mientras que el reemplazo total se asoció con una intensidad mayor (42.794 kg CO₂-eq/MPa para GFF-100) debido a la reducción de resistencia a compresión; el referente de OPC es 23.136 kg CO₂-eq/MPa, ligeramente inferior a la mejor formulación MK–GFF, lo que indica que las cargas impulsadas por el activador pueden compensar las reducciones cuando se considera el desempeño. En contraste, la ruta híbrida GGBS–GFF de un solo componente (one-part) presentó las reducciones más claras en ambas bases. Al emplear una unidad funcional basada en el volumen (1 m³ de pasta), el impacto en calentamiento global disminuyó de 205,784 a 86,870 kg CO₂-eq por m³ a lo largo de la serie híbrida. Esto representa una reducción sustancial en comparación con la referencia de OPC (1046,135 kg CO₂-eq por m³ de pasta), lo que equivale a un impacto ≈80–92% menor (≈80% respecto a 205,784 y ≈92% respecto a 86,870). Este resultado confirma que el enfoque híbrido “solo agua” puede disminuir sustancialmente las cargas absolutas al reducir la dependencia de activadores comerciales. Al normalizar por resistencia a compresión, la ventaja fue marcada: la intensidad de calentamiento global disminuyó de 29.890 kg CO₂-eq/MPa para el referente OPC-35 a 3.834 kg CO₂-eq/MPa en la composición híbrida óptima (GGBS60), demostrando una mejora de un orden de magnitud en la eficiencia ambiental. En conclusión, los resultados obtenidos proporcionan una referencia estructurada para la selección de residuos y su clasificación funcional en el desarrollo de GP/AAM, y demuestran la viabilidad de utilizar GFF sin tratamiento tanto como componente precursor como fuente de alcalinidad interna. La integración de la validación de desempeño con la verificación basada en ACV clarifica dónde se alcanzan los beneficios ambientales y por qué dependen de la ruta, aportando una base transferible para el desarrollo de ligantes alcalinamente activados de baja demanda de activador y de una sola parte, y orientando futuros escalados hacia morteros, hormigones y aplicaciones más amplias de construcción sostenible.

  • English

    Rapid urbanisation and the continued expansion of the construction sector are increasing demand for cementitious binders, while intensifying the environmental footprint of the built environment. Ordinary Portland cement (OPC) remains the dominant binder for concrete infrastructure; however, its manufacture is intrinsically energy- and carbon dioxide (CO2)-intensive due to high-temperature clinker production and calcination-related process emissions. These pressures have accelerated the search for alternative binders that can deliver competitive engineering performance with reduced environmental impacts. In this context, geopolymers (GPs) and alkali-activated materials (AAMs) are among the most promising alternatives, offering high strength and durability while enabling the valorisation of industrial wastes and by-products. Substituting virgin raw materials with such secondary resources can conserve natural reserves, reduce the need for energy-intensive extraction and processing, divert wastes from landfilling, and thereby help lower emissions—supporting mitigation of environmental degradation and global warming. These binders are produced through alkaline activation of aluminosilicate and/or calcium-rich precursors, forming reaction products capable of generating dense matrices and rapid strength development. However, the sustainability advantage is not automatic: the production of conventional alkaline activators—especially sodium silicate solutions and concentrated NaOH/KOH—can dominate environmental impacts and introduce practical constraints related to safe handling, regulatory requirements, and dependence on supply-chain availability. This research therefore investigates industrial and biomass-derived wastes not only as alternative precursors, but also as potential sources of internal alkalinity, aiming to reduce reliance on manufactured activators through a structured, evidence-led development pathway. The work is organised into four connected stages: (i) mapping and critically assessing the evolution of (GP/AAM) technologies and pinpointing the key barriers limiting wider implementation; (ii) developing a decision-oriented screening framework that links waste characterisation to practical performance indicators (including early integrity and immersion stability), enabling realistic role assignment (primary precursor, supplementary reactive component, or alkalinity contributor); (iii) experimentally validating binder routes based on the selected candidate material(s), including their use as alternative precursor in two-part system and the development of one-part (“just-add-water”) binder where internal alkalinity can partially or fully replace external activators; and (iv) quantifying environmental performance through a robust comparative cradle-to-gate life cycle assessment (LCA), using ReCiPe 2016 Midpoint (H) indicators to benchmark candidate binders against conventional reference systems and confirm sustainability benefits alongside performance. Gasification forest fly ash (GFF) was identified as a high-potential but underexplored feedstock for alkali-activated binders. No prior studies were found that explicitly investigate GFF as a GP/AAM precursor or as an internal solid alkali source, making its evaluation a novel contribution to the current body of knowledge. GFF was prioritised because it can be incorporated without thermal or mechanical pretreatment and, based on its composition and reactivity, is expected to contribute both as a reactive precursor and as a source of alkalinity that can promote activation without relying solely on external alkaline solutions. Dissolution testing supported this dual role, demonstrating substantial mobilisation of soluble species and the development of a highly alkaline pure solution (pH ≈ 13.13), indicating that GFF can provide the chemical environment required for dissolution and subsequent gel formation. Two binder routes were established. In the metakaolin (MK)–GFF GP system, 20% GFF replacement improved early performance, increasing sealed 7-day compressive strength from 37 to 43.3 MPa. However, at high replacement levels, GFF caused rapid setting (~5 min) and reduced cohesion; 100% replacement still formed a hardened binder but strength dropped to 15.4 MPa. In parallel, a one-part (water-only) hybrid AAM was successfully produced by dry blending ground granulated blast furnace slag (GGBS) with GFF, avoiding liquid activators and any thermal/mechanical pre-treatment. The best-performing hybrid mix (60% GGBS + 40% GFF; w/b = 0.35; paste pH ≈ 12.71) achieved a practical setting window (~215/270 min) and the highest 28-day strengths (≈32.93 MPa compressive; ≈5.62 MPa flexural). Environmental verification demonstrated that conclusions are sensitive to the functional unit, with different rankings obtained when impacts are expressed per unit paste volume versus normalised to compressive strength. For the MK–GFF GP series, increasing substitution from GFF-0 to GFF-100 reduced global warming potential from 1155.79 to 727.50 kg CO₂-eq per 1 m³ paste (≈37% reduction), and the higher-GFF mixes achieved 4.1–34.5% lower global warming impact than the OPC (1110.53 kg CO₂-eq per 1 m³ paste) reference on the same volume basis. Under a strength-normalised basis, however, the lowest climate intensity within the MK–GFF series occurs at GFF-20 (24.321 kg CO₂-eq/MPa), whereas full replacement is associated with a higher intensity (42.794 kg CO₂-eq/MPa for GFF-100) due to reduced compressive strength; the OPC benchmark is 23.136 kg CO₂-eq/MPa, slightly lower than the best MK– GFF formulation, indicating that activator-driven burdens can offset reductions when performance is accounted for. In contrast, the one-part hybrid GGBS–GFF route delivered the clearest reductions on both bases. Using a volume-based functional unit (1 m³ of paste), the global warming impact decreased from 205.784 to 86.870 kg CO₂-eq per m³ across the hybrid series. This represents a substantial reduction compared with the OPC reference (1046.135 kg CO₂-eq per m³ paste), corresponding to an ≈80–92% lower impact (≈80% relative to 205.784, and ≈92% relative to 86.870). This result confirms that the water-only hybrid approach can substantially lower absolute burdens by reducing dependence on manufactured activators. When normalised by compressive strength, the advantage remained pronounced: global warming intensity decreased from 29.890 kg CO₂-eq/MPa for the OPC-35 reference to 3.834 kg CO₂-eq/MPa at the optimum hybrid composition (GGBS60), demonstrating an order-of-magnitude improvement in environmental efficiency. In conclusion, the results obtained provide a structured reference for waste selection and functional classification in GP/AAM development and demonstrate the feasibility of using untreated GFF as both a precursor component and an internal alkalinity source. The coupling of performance validation with LCAbased verification clarifies where environmental benefits are achieved and why they are pathwaydependent, providing a transferable foundation for developing low-activator and one-part alkali-activated binders and for guiding future scaling toward mortar, concrete, and broader sustainable construction applications.