Estudio de nuevos hormigones ecoeficientes. Reología y comportamiento

Abstract

Durante los últimos años, los medios de comunicación, los Gobiernos y las asociaciones ecologistas, entre otros, han advertido a la sociedad de un hecho importante: la velocidad a la que los seres humanos están consumiendo los recursos es superior a la velocidad que la Tierra es capaz de volver a producirlos, una práctica totalmente insostenible. Bien es cierto que a partir de finales de los 70, se empezaron a establecer medidas legislativas que pretendían eliminar o reducir el impacto ambiental producido. No obstante, las industrias y empresas tenían una actitud reactiva ante ellas, sólo tomando medidas cuando eran sancionadas. De hecho, no es hasta la primera década del siglo XXI cuando la sociedad en general toma conciencia de que el desarrollo sostenible es sumamente necesario. La Unión Europea, como parte de esta voluntad de cambio, ha establecido una serie de iniciativas para llegar a una Europa sostenible en 2020, teniendo en cuenta las tres vertientes de la sostenibilidad: el crecimiento económico, el cuidado del medio ambiente y el bienestar social. Entre estas iniciativas destaca la Economía Circular, cuyo objetivo es que el valor de los productos, los materiales y los recursos (agua o energía, entre otros) se mantengan en la economía durante el mayor tiempo posible, y que se reduzca al mínimo la generación de residuos. Es decir, que cuando, tras la vida útil de un producto se transforme en un residuo, este vuelve al ciclo productivo como materia prima. El sector cementero no es ajeno a las iniciativas que se están llevando a cabo desde la Unión Europea y dentro de la Economía Circular. Este sector tiene que acometer cambios en su actividad, ya que actualmente, supone un gran problema medioambiental. La industria cementera por sus características en la elaboración del clínker es una de las principales industrias afectadas por esta problemática medioambiental. La fabricación de cemento implica un alto coste energético con un consumo aproximado de 850 Kcal por cada Kg de clínker; además, se consumen materias primas (calizas y arcillas), y es responsable de una gran parte de las emisiones sólidas gaseosas, y gases que incrementan el efecto invernadero. En concreto, la industria cementera es responsable de la emisión de 2300 MT al año de CO2, lo que se corresponde con el 6-8% de las emisiones globales de este gas, además de otros gases como los NOx, SO2 y NH3, así como, emisiones de partículas y polvo. Entre las medidas que se están poniendo en marcha, se pueden destacar la valorización energética, utilizando combustibles alternativos o el coprocesado en el horno de las plantas, lo que reduce los niveles de contaminación por partículas sólidas, y el reciclaje de materiales, en su mayoría residuos y/o subproductos industriales. Sustituir parcial o totalmente las materias primas del crudo de cemento por residuos o subproductos industriales y finalmente utilizar, también subproductos, como adiciones minerales activas en sustitución del clínker. Otra vía, que cada vez está más considerada, es preparar nuevos cementos en los que el contenido en cemento portland sea nulo o inferior a un 30%, y estos son los denominados cementos alcalinos o activados alcalinamente o geopolímeros; que pueden ser considerados como conglomerantes alternativos al cemento Portland (CEM), con claras ventajas económicas y medioambientales. La utilización de cementos alcalinos está siendo investigada por numerosos grupos de investigación, debido a que presentan unas propiedades mecánico-resistentes y durables similares a los cementos Portland convencionales, y además suponen una mejora sobre la problemática ambiental, ya que reutilizan los residuos y subproductos industriales como materias primas. Estos cementos son muy ecoeficientes debido a que: -Respetan el medio ambiente al no necesitar la explotación de materias primas naturales y permitir la reutilización de residuos y subproductos industriales que degradarían el medio ambiente. -Reducen el consumo energético, dado que no necesitan molienda de materias primas ni se emplea el proceso de clinkerización en su producción. No hay necesidad de ningún horno, ni las elevadas temperaturas (alrededor de 1500ºC) que se precisan para fabricar el clínker. -Generan menores emisiones de CO2. Actualmente, el grupo de la Química del Cemento del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (IETcc-CSIC) trabaja en el desarrollo de pastas, cementos y hormigones de cementos de escorias activadas alcalinamente (Alkali-Activated Slag, AAS), procedentes de las centrales siderúrgicas y de cementos de cenizas volantes activadas alcalinamente (Alkali-Activated Fly Ash, AAFA), procedentes de centrales térmicas. De esta manera, realiza una importante aportación al sector cementero con el estudio de materiales alternativos y más ecoeficientes. La investigación de este grupo va más allá, y no sólo se limita al estudio de materiales cementantes más sostenibles, sino que también estudia el resto de los componentes con los que son elaborados los morteros y hormigones, como son los áridos. La posible reutilización de áridos provenientes de Residuos de Construcción y Demolición supone un paso más hacia la sostenibilidad Los RCD suponen una gran problemática medioambiental ya que, sólo algo más de una cuarta parte de los generados, en la demolición de edificaciones existentes, son reciclados. Estos residuos presentan propiedades similares al hormigón original y pueden ser utilizados como áridos para la elaboración de morteros y hormigones. El reciclaje de estos áridos se lleva a cabo desde hace años para preparar morteros y hormigones de cemento Portland. Sin embargo, existen muy pocos estudios y aplicaciones sobre la incorporación de estos residuos RCD como áridos en la preparación de morteros y hormigones de cementos alcalinos de escorias y cenizas volantes. Con el objetivo de aportar nuevos conocimientos en la elaboración de hormigones reciclados de escorias activadas alcalinamente se ha fijado como objetivo principal del presente Trabajo de Fin de Grado: Determinar la viabilidad tecnológica de la utilización de áridos reciclados para la elaboración de hormigones de cementos alcalinos, concretamente en aquellos Cementos de Escoria Activada Alcalinamente (Alkali-Activated Slag Cements, AAS), mediante el estudio de su reología y su comportamiento. El estudio se hace comparativamente con hormigones de cemento Portland (CEM) con los mismos áridos reciclados. Para alcanzar el objetivo marcado se han definido los siguientes objetivos más específicos: - Estudiar el efecto de la sustitución parcial de la fracción gruesa del árido de un hormigón por áridos reciclados en la trabajabilidad de hormigones de AAS. - Estudiar el efecto de la sustitución parcial de la fracción gruesa del árido de un hormigón por áridos reciclados en el comportamiento mecánico de los hormigones de AAS. - Estudiar el efecto de la presencia de áridos reciclados en la estabilidad de volumen que se produce en cada uno de los hormigones de AAS preparados respecto a los hormigones de CEM utilizados como patrón. - Estudiar la huella de carbono de la preparación de hormigones de AAS con áridos reciclados desde la obtención de las materias primas hasta la salida de la fábrica de hormigón (cradle to gate). Realizar una comparativa con la huella de carbono de hormigones de CEM con áridos reciclados. - Realizar una comparativa del precio estimativo de la preparación de hormigones de CEM con áridos reciclados con el de hormigones de AAS con áridos reciclados. Para el desarrollo de los objetivos propuestos se han elaborado dos tipos de hormigones. Por un lado, hormigones (CEM), elaborados a partir de cemento Portland CEM I 52.5R, empleando una relación líquido /sólido de 0,565. Por otro lado, hormigones de AAS, utilizando escoria vítrea de alto horno activada alcalinamente con una disolución de waterglass la cual presenta una concentración del 4% de Na2O sobre la masa de escoria y una relación SiO2/Na2O de 1.2, empleando una relación líquido/sólido de 0,57. Además del tipo de conglomerante utilizado, se ha estudiado también la influencia de la sustitución parcial del árido natural por un árido reciclado. El árido natural utilizado era de naturaleza silícea y el árido con el que se produce la sustitución parcial, era un árido procedente de RCD. La sustitución parcial, del 5%, 15% y 20% en peso, solo se realizó en la fracción más gruesa del árido utilizado, de 8 a 12,5 mm. Tras los estudios llevados a cabo se han obtenido las siguientes conclusiones: - La trabajabilidad de los hormigones reciclados de AAS no se ve afectada significativamente por la presencia de un mayor porcentaje de árido reciclado. - Las resistencias mecánicas a la compresión de los hormigones reciclados de AAS son mejores que las de los hormigones elaborados con CEM, con o sin presencia de áridos reciclados. - La densidad y absorción de los hormigones reciclados de AAS presenta valores similares a las de los hormigones convencionales. - La retracción de los hormigones reciclados de AAS no se ve afectada considerablemente por la presencia de áridos reciclados. - Las emisiones de CO2 equivalentes por m3 de hormigón reciclado de AAS elaborado son muy inferiores a las del hormigón convencional. - El precio de los hormigones de AAS es alrededor de un 6% inferior al de los hormigones de CEM. A través del estudio llevado a cabo en el presente Trabajo de Fin de Grado se ha comprobado la viabilidad tecnológica de la utilización de áridos reciclados para la elaboración de hormigones de cementos alcalinos, concretamente en aquellos Cementos de Escoria Activada Alcalinamente, mediante el estudio de su reología y su comportamiento. Como resultado del presente TFG, se presentará un póster en el II European Geopolymer Network que tendrá lugar el próximo 14 de julio de 2017 en Madrid y también, se realizará una presentación oral en el V Congreso Iberoamericano de Hormigón Autocompactante y Hormigones Especiales (HAC 2018), que tendrá lugar en la ciudad de Valencia los días 5 y 6 de marzo de 2018. El presente Trabajo de Fin de Grado se realizó en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (IETcc-CSIC) bajo la supervisión de la Prof. Dña. Francisca Puertas Maroto y la Dra. Dña. Mª del Mar Alonso López, y dentro de las actividades de investigación del proyecto de Excelencia BIA2013-47876-C2-1-P financiado por el MINECO.