Descarbonización de los prefabricados de hormigón mediante nuevas alternativas de captura y utilización del CO2

Abstract

El conjunto de investigaciones incluidas en la presente Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de materiales de construcción más sostenibles mediante la combinación de tres ejes fundamentales: el uso de residuos industriales, la aplicación de procesos de carbonatación acelerada y finalmente, la activación alcalina para la fabricación de productos cementantes y prefabricados no convencionales. A lo largo de los cinco estudios que componen esta investigación, se exploraron diversas estrategias para sustituir total o parcialmente áridos naturales y cemento Portland por residuos y subproductos como áridos reciclados de hormigón, áridos mixtos de RCD, biocarbón activado procedente de hueso de aceituna, residuos mineros y cenizas volantes. Asimismo, se adoptó la carbonatación acelerada, tanto en hormigones y morteros porosos como en adoquines drenantes activados alcalinamente, con el propósito de mejorar las propiedades físicas y mecánicas, reducir tiempos de curado y, de manera notable, capturar CO2 para mitigar su impacto ambiental. En los primeros estudios, se emplearon hormigones y morteros porosos con sustitución de áridos naturales por áridos reciclados de RCD, observando mejoras significativas en la densidad aparente, resistencia a compresión y disminución de porosidad accesible al agua cuando las muestras se sometían a curado en ambientes con mayor concentración de CO2 (5%). Este proceso no solo redujo el tiempo necesario para alcanzar resistencias elevadas, sino que también facilitó la formación de compuestos carbonatados que densificaron la microestructura y propiciaron la captura efectiva de CO2. Asimismo, se constató que la naturaleza de los áridos reciclados influía en la magnitud de la carbonatación: aquellos con mayor proporción de pasta de cemento adherida (p. ej., áridos de hormigón reciclado) mostraron un elevado potencial de secuestro de CO2. En una segunda línea, se analizó la adición de biocarbón activado derivado de residuos de hueso de aceituna en morteros porosos para potenciar aún más el secuestro de CO2 y aprovechar su alta superficie específica. Dicho aditivo mejoró notablemente las resistencias mecánicas, atribuyéndose a su capacidad de retener agua dentro de la matriz y facilitar la hidratación del cemento. Además, el biocarbón contribuyó a llenar poros y microfisuras, logrando reducir la porosidad accesible y aumentando el contenido de carbonatos formados durante la exposición al CO2. Por otro lado, la caracterización microestructural no detectó fases perjudiciales ni cambios negativos en el proceso de fraguado del cemento. La compatibilidad del biocarbón con el cemento portland se verificó con ensayos de calorimetría isotérmica. Posteriormente, se introdujo también el uso de áridos reciclados de mampostería (RCD mixto), combinados con el biocarbón activado, observándose mayores niveles de absorción de CO2 y mejoras en las primeras edades de curado bajo carbonatación acelerada. El efecto sinérgico de los residuos de construcción y el biocarbón derivado de la industria olivarera demostró la viabilidad de generar morteros porosos con propiedades mecánicas y de durabilidad mejoradas, extendiendo a su vez la contribución medioambiental a través de la captura de CO2, la valorización de residuos agroindustriales y la reutilización de residuos de RCD (economía circular y descarbonización). En la fase final de la presente Tesis Doctoral, la investigación se centró en la activación alcalina de materiales como la ceniza volante de centrales termoeléctricas y los residuos mineros, combinados con la sustitución de áridos naturales por áridos reciclados procedentes de residuos de la industria del prefabricado, para la producción de adoquines drenantes vibrocompactados. Además de demostrar un buen rendimiento mecánico con incrementos de hasta el 30% en la resistencia a compresión y notables mejoras en resistencia a la abrasión tras la carbonatación acelerada, estos sistemas presentan una significativa reducción de su huella de carbono. La evaluación del ciclo de vida confirma que la combinación de subproductos industriales con la carbonatación acelerada y el uso de áridos reciclados es una alternativa robusta y limpia frente al hormigón tradicional, con reducciones de hasta el 49% en emisiones de CO2eq. En conjunto, los estudios muestran que la carbonatación acelerada, unida a la incorporación de residuos y a la sustitución de aglutinantes convencionales por materiales alcalinamente activados, ofrece una vía efectiva para producir materiales más resistentes, con un menor impacto medioambiental y un alto potencial de escalado industrial. El empleo de bloques, morteros y pavimentos elaborados bajo estas directrices pone en evidencia que la economía circular y la descarbonización de la industria de la construcción son posibles a través de la innovación en la formulación y curado de los materiales.

The series of investigations presented in this Doctoral Thesis focuses on the development of more sustainable construction materials by combining three core approaches: the use of industrial waste, the application of accelerated carbonation processes, and, finally, alkaline activation for the production of cementitious and unconventional precast products. Throughout the five studies that comprise this research, various strategies were explored to partially or completely replace natural aggregates and Portland cement with residues and by-products such as recycled concrete aggregates, mixed CDW aggregates, activated biochar from olive pits, mining waste, and fly ash. Additionally, accelerated carbonation was employed both in porous concretes and mortars as well as in drainable, alkali-activated pavers to enhance physical and mechanical properties, reduce curing times, and, crucially, capture CO2 to mitigate its environmental impact. In the initial studies, porous concretes and mortars were produced using recycled CDW aggregates as a substitute for natural aggregates. Significant improvements were observed in bulk density and compressive strength, along with a reduction in water accessible porosity, when the samples were cured in environments with higher CO2 concentrations (5%). This process not only shortened the time required to achieve high strengths but also facilitated the formation of carbonate compounds that densified the microstructure and enabled effective CO2 capture. Furthermore, it was found that the nature of the recycled aggregates influenced the degree of carbonation: those containing a higher proportion of adhered cement paste (e.g. recycled concrete aggregates) showed a greater potential for CO2 sequestration. In a subsequent phase of the work, activated biochar derived from olive stone waste was incorporated into porous mortars to further enhance CO2 sequestration by taking advantage of the material’s high specific surface area. This additive notably improved mechanical strengths, attributed to its capacity to retain water within the matrix and promote cement hydration. Moreover, the biochar contributed to filling pores and microcracks, thereby reducing accessible porosity and increasing carbonate content during CO2 exposure. Microstructural characterisation did not reveal any harmful phases or adverse effects on cement setting, and the compatibility of the biochar with Portland cement was confirmed through isothermal calorimetry tests. Later, the use of recycled masonry aggregates (mixed CDW) was also introduced in combination with activated biochar. Higher levels of CO2 absorption were achieved, together with improvements at early curing stages under accelerated carbonation. The synergistic effect of construction debris and biochar from the olive industry demonstrated the feasibility of producing porous mortars with enhanced mechanical and durability properties, while simultaneously contributing to environmental objectives through CO2 capture, the valorisation of agro-industrial waste, and the reuse of CDW (circular economy and decarbonisation). In the final stage of this Doctoral Thesis, the investigation shifted towards the alkaline activation of materials such as fly ash from thermal power stations and mining waste, combined with the replacement of natural aggregates by recycled aggregates from the precast concrete industry, to produce drainable vibrocompacted pavers. In addition to demonstrating good mechanical performance, including increases of up to 30% in compressive strength and remarkable improvements in abrasion resistance after accelerated carbonation, these systems exhibited a significant reduction in their carbon footprint. Life cycle assessment confirmed that the combination of industrial by-products with accelerated carbonation and recycled aggregates is a robust and clean alternative to conventional concrete, achieving reductions in CO2-equivalent emissions of up to 49%. Overall, the findings show that accelerated carbonation, combined with the incorporation of waste and the replacement of traditional binders with alkaliactivated materials, provides an effective means of producing materials with higher strength, lower environmental impact, and substantial potential for industrial scaling. The use of blocks, mortars, and pavements manufactured under these guidelines clearly demonstrates that circular economy and the decarbonisation of the construction industry are achievable through innovative formulation and curing methods.