Estudio de hormigones autocompactantes fabricados con residuos industriales como filler

Abstract

La presente Tesis Doctoral aborda la búsqueda de alternativas sostenibles en el campo del hormigón ya que es el material más usado en el sector de la construcción. Actualmente, podemos decir que el hormigón sostiene nuestra vida cotidiana. Sin embargo, no todo es bueno, ya que es la industria que más recursos naturales consume, por ello está considerado como un material poco respetuoso con el medio. Por este motivo la industria del hormigón está en constante evolución, buscando técnicas más eficientes que permitan la optimización de los recursos naturales. Dentro de esta tendencia, en la década de los 80, nace el Hormigón Autocompactante como evolución de la tecnología existente y con el fin de aportar soluciones a los diferentes inconvenientes que presenta el hormigón convencional. El HAC se caracteriza por fluir bajo su propio peso, por ello no requiere vibración durante su ejecución en obra. Lo cual se traduce en diversas ventajas (reducción de los plazos de ejecución, fabricación de estructuras complejas, mejores acabados superficiales, disminución de la mano de obra, disminución de ruido y vibraciones, entre otras). Para que estas ventajas se puedan dar, el HAC necesita incorporar un alto contenido de finos (cemento, filler y/o árido fino) y aditivos químicos en su dosificación. Esta particularidad en el diseño hace que este material pueda ser considerado como poco amigable con el medio ambiente. Una solución es la utilización de residuos o subproductos industriales de granulometría fina como sustitutivo de los finos convencionales necesarios en la fabricación de los HAC. En este trabajo se ha evaluado el potencial de reutilización y reciclado de los residuos de granulometría fina (finos o polvo) generados en la industria y/o minería, tales como finos procedentes del proceso de secado y calentamiento del árido utilizado en la fabricación de mezclas bituminosas calientes y cenizas volantes no conformes procedentes de centrales termoeléctricas de carbón, como filler en HAC en sustitución del filler comercial empleado en las mezclas convencionales. Estos residuos en la mayoría de los casos tienen nula o escasa aplicabilidad y son depositados en vertederos. En primer lugar, se llevó a cabo una profunda caracterización de las propiedades físico-químicas y microestructurales de todos los materiales comerciales y residuos empleados. Además, se realizó un análisis completo de las propiedades en estado fresco y en estado endurecido de diferentes dosificaciones que permitió definir con alto grado de certeza, la mezcla óptima para incorporar los residuos como filler. A continuación, se realizó un estudio de viabilidad del residuo de granulometría fina generado en las plantas de mezclas bituminosas calientes como filler. Se realizó un estudio comparativo de las propiedades de autocompactabilidad, comportamiento mecánico, mecanismos de endurecimiento, características microestructurales y comportamiento durable de esta mezcla respecto a un HAC fabricado con filler comercial. Posteriormente, se evaluó el uso de cenizas volantes de una central termoeléctrica de carbón que no cumple con los criterios de conformidad marcado por la normativa como filler en HAC. Se analizaron las propiedades en estado fresco (autocompactabilidad y propiedades físicas) y en estado endurecido (propiedades mecánicas, mecanismos de endurecimiento, características microestructurales y durabilidad) de dosificaciones que incorporan el residuo al 50% y al 100% de sustitución respecto al HAC con filler comercial. Se han obtenido diferentes tipos de hormigones autocompactantes empleando estos residuos de granulometría fina en sustitución total o parcial de un filler comercial, consiguiendo un comportamiento mecánico mayor que los niveles mínimos estipulados por el Código Español sobre Hormigón Estructural (EHE-08) y alcanzando alto rendimiento frente al ataque de agentes agresivos y de retracción. Se pretende que estos resultados contribuyan a eliminar la falta de confianza en la calidad de estos materiales, así como su valorización y la optimización de los recursos naturales utilizados en la fabricación de HAC. Consiguiendo que este material sea más compatible con la nueva realidad y necesidad medioambiental de nuestra sociedad.

This Doctoral Thesis addresses the search for sustainable alternatives in the field of concrete since it is the most used material in the construction sector. Currently, we can say that concrete supports our daily life. However, not everything is good, since it is the industry that consumes the most natural resources, which is why it is considered as a material that does not respect the environment. For this reason, the concrete industry is constantly evolving, seeking more efficient technologies with high optimization of natural resources. In the 1980s, Self-Compacting Concrete was born as an evolution of existing technology and with the aim to provide solutions to the different problems presented by ordinary concrete. SCC is characterized by flowing under its own weight, thus not requiring vibration during its execution in work, which translates into benefits (reduced lead times, production of complex structures, better surface finishes, noise and vibration reduction, among others). For these advantages to occur, the SCC needs to incorporate a high content of fine material (cement, filler and/or fine aggregate) and chemical additives in its dosage. This particularity in the design means this material can be considered as not very environment-friendly. One solution is the use of industrial fine waste or by-products as a substitute for the conventional fine materials required in the manufacture of SCC. In this work, the potential for reuse and recycling of fine granulometry waste (fine materials or dust) generated in industry and/or mining has been evaluated, such as generated waste in the drying and heating process of aggregates in hot-mix asphalt manufacturing plants and non-conforming fly ash from coal-fired power plants. In most cases, this waste has no or little applicability and is deposited in landfills. Firstly, a deep characterization of the physical-chemical and microstructural properties of all the commercial materials and waste used was carried out. In addition, a complete analysis of the properties in the fresh state and in the hardened state of different dosages was carried out, which made it possible to define, with a high degree of certainty, the optimum mix to incorporate the wastes as filler. Then, a feasibility study of the fine grain waste generated in hot-mix asphalt manufacturing plants such as filler was carried out, as well as comparative study of the properties of self-compactability, mechanical behaviour, hardening mechanisms, microstructural characteristics and durable behaviour of this mix with respect to a SCC manufactured with commercial filler. Subsequently, the use of fly ash from a coal-fired power plant that does not meet the criteria of conformity marked by the regulations as a filler in SCC was evaluated. The properties in fresh state (self-compactability and physical properties) and hardened state (mechanical properties, hardening mechanisms, microstructural characteristics and durability) of dosages that incorporate the waste at 50% and 100% of substitution respect to the SCC with filler commercial were analysed. Different types of self-compacting concretes have been obtained using these fine granulometry wastes in total or partial replacement of a commercial filler, achieving a mechanical performance higher than the minimum levels stipulated by the Spanish Code on Structural Concrete (EHE-08) and achieving high performance against the attack of aggressive agents and shrinkage. It is intended that these results contribute to eliminate the lack of confidence in the quality of these materials, as well as their valorisation and optimization of the natural resources used in the manufacture of SCC, making this material more compatible with the new reality and environmental needs of our society.