Viabilidad de uso de subproductos industriales en la fabricación de materiales en base cemento

Abstract

La generación de residuos se incrementa según avanza el desarrollo tecnológico de las sociedades. Sin embargo, este progreso también repercute de forma positiva en la gestión y reutilización de los residuos y subproductos generados, de forma que se busquen aplicaciones concretas al uso de los mismos. En este contexto, surge la investigación desarrollada por la presente Tesis Doctoral, 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. 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. El trabajo desarrollado, tiene como primera fase una ampliación del conocimiento de la viabilidad de uso de ARM en combinación con CFB en nuevos materiales. Para el desarrollo de esta primera fase se lleva a cabo una caracterización físico‐química y ambiental de las CFB y una evaluación de las propiedades físicas y mecánicas de diferentes mezclas de CFB y ARM para la consecución de un material en base cemento con características técnicas que lleve a una viabilidad de valorización de estos residuos. Los resultados obtenidos llevan a desarrollar de manera más amplia las propiedades cementantes de la CFB. Para ello, en una segunda fase, se propone la optimización de las CFB como material cementante mediante procesamientos sencillos. Se lleva a cabo una caracterización exhaustiva de estos nuevos materiales producidos a través del procesamiento y se evalúa las propiedades técnicas adquiridas por materiales en base cemento fabricados, demostrando la viabilidad de uso de CFB con tratamientos sencillos en la fabricación de morteros como material sustitutivo del cemento. Tras la evaluación de las propiedades cementantes de las CFB y habiéndose comprobado la capacidad puzolánica de las mismas, se lleva a cabo una tercera fase en la que se estudia la aplicación de este tipo de residuos en la estabilización de suelos. Este estudio muestra que es viable el uso de CFB como estabilizador de suelos mejorando las propiedades mecánicas y capacidad de carga de suelos arcillosos. En una cuarta fase, y siguiendo con la línea de investigación propuesta, se analiza un segundo residuo, EAI. Desarrollando la investigación como en la segunda fase, en la que se realiza un amplio estudio de las propiedades de este material y sus diferentes procesamientos y se evalúan las características técnicas de los nuevos materiales fabricados con EAI como sustituto de cemento. Este estudio muestra de forma clara e innovadora el potencial de este residuo para su aplicación en la industria cementera. Por último, tras el análisis de todos los resultados obtenidos, se desarrolla el estudio de un tercer residuo industrial sin ninguna viabilidad de uso y acumulado en grandes cantidades, FY. Siguiendo la metodología se lleva a cabo una amplia caracterización del material con diversos tratamientos. La evaluación de las propiedades técnicas y ambientales de los nuevos materiales en base cemento fabricados con este residuo industrial llevan a la comprobar la viabilidad de reutilización como material regulador de fraguado y adición mineral con propiedades cementantes. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto el potencial de los residuos industriales como sustituto de materias primas en la fabricación de materiales en base cemento. Demostrando la viabilidad de uso como material cementante desde el punto de vista científico y tecnológico.

Although waste generation increases with technological development, progress also has a beneficial impact on waste and by‐products reuse and management, in which specific applications are sought for these materials. In this context, the research developed by this PhD thesis arises, whose objective is to analyze from the point of view of sustainability, the reuse of waste from different very powerful industrial sector in Andalusia, Spain and worldwide as a substitute for the raw materials used in the manufacture of cement‐based materials. In this way, achieve the end of waste condition and classify them as by‐products, demonstrating that the properties of these materials characterize them as potential raw materials for the manufacture of cement‐based materials. This research focuses on the development of new and innovative cement‐based materials that incorporate biomass bottom ash (BBA), recycled mixed aggregates (RMA), stainless steel slag waste (Sw) and phosphogypsum (PG) for their integral application in construction sector, analyzing its technical and environmental viability to maximize its use. The work developed has as a first phase an extension of the knowledge of the feasibility of using RMA in combination with BBA in new materials. For the development of this first phase, a physical‐chemical and environmental characterization of BBA is carried out. In addition to this an evaluation of the physical and mechanical properties of different mixtures of BBA and RMA were studied for the achievement of a cement‐based material with technical characteristics which leads to a feasibility of valorisation of these waste. The results obtained lead to a more centralized research on the cementing properties of the BBA. For this reason, in a second phase, BBA optimization through simple processing is proposed to applicate it as cementing material. An exhaustive characterization of these new materials produced through processing is carried out. In addition to this, the technical properties of the cement‐based materials manufactured with the processed BBA were evaluated. After the evaluation of the cementing properties of the CFB and having checked the pozzolanic capacity of the same, a third phase is carried out in which the application of this type of industrial by‐product in the stabilization of soils is studied. This study shows that the use of CFB as a soil stabilizer is viable, improving the mechanical properties and loading capacity of clay soils In a quarter phase, and following the proposed line of research, a second industrial waste was analysed (Sw). Developing the research as in the second phase, in which an extensive study of the properties of this waste and its different processes were carried out and the technical characteristics of the new materials manufactured with EAI as a cement substitute were evaluated. This study shows in a clear and innovative way the potential of this waste for its application in the cement industry. Finally, after the analysis of all results obtained, the study of a third industrial waste is developed. This waste (PG) is accumulated in large quantities without any viability of use. Following the methodology, a broad characterization of the waste with various treatments was carried out. The evaluation of the technical and environmental properties of the new cement‐based materials manufactured with this industrial waste leads to the verification of the feasibility of reuse as a regulating material for setting and mineral addition with cementing properties. The results obtained show the potential of industrial waste as a substitute for raw materials in the manufacture of cement‐based materials. Demonstrating the feasibility of use as cementing material from the scientific and technological point of view.