Aplicación de residuos, subproductos industriales y nanomateriales para la estabilización y ejecución de capas estructurales de carreteras

Abstract

In recent decades, economic development has brought about an increase in waste generation, as well as a rise in harmful gas emissions and environmental impacts. Currently, Sustainable Development stands as the primary objective of an advanced society, aiming to reconcile nature preservation with sustained economic growth within the framework of future circular economy models. In this social, economic, and environmental context, the present Doctoral Thesis emerges with the purpose of evaluating, from both technical and environmental perspectives, the application of recycled materials, waste, by-products, and state-of-the-art nanomaterials for road layers construction. The goal is to reduce the use of conventional construction materials with a high carbon footprint, decrease the need for borrow earth in road construction, and potentially eliminate the transport of soils to landfills in roadworks, all while improving their technical characteristics. This research focuses on the application of mixed recycled aggregates (MRA), biomass bottom ash (BBA), biomass fly ash (BFA), steel slag (SS), and various cutting-edge silica-based nanomaterials. The research, in its initial phase, begins with the study of the physical, chemical, and mineralogical properties of the aforementioned materials. The objective is to expand the current understanding of these materials and establish the most suitable applications for each material in the various layers that compose a road. Following the material characterization, the second phase addresses the study of the application of MRA as a material for granular base in roads. This analysis allows evaluating the environmental effects of the selective collection of construction and demolition waste (CDW), facilitating the definition of new restrictive limits for its application and expanding its range of use. The third phase focuses on the feasibility of using waste, by-products, and nanomaterials as road soil stabilizers. An optimization dosage study demonstrates how the addition of these materials enhances soil properties. Additionally, an innovative study combines nanomaterials with industrial by-products. The fourth phase involves the construction of a real-scale low-volume road section, applying the knowledge gained during the development of the Doctoral Thesis. This study allows analyzing the evolution over time of the effect of adding these new materials under real conditions. Finally, the entire study is complemented with a comprehensive life cycle analysis, quantifying the environmental improvements derived from the application of these new materials compared to conventional road construction materials. The presented methodology and the results obtained during the completion of the Doctoral Thesis demonstrate the feasibility of using new sustainable materials as an alternative for sustainable road construction. This is analyzed from a scientific and rigorous perspective, in harmony with the principles of Sustainable Development.

En las últimas décadas, el desarrollo económico ha llevado consigo un aumento en la generación de residuos, así como un incremento en las emisiones de gases nocivos afectando al medio ambiente. En la actualidad, el Desarrollo Sostenible se establece como el principal objetivo de una sociedad avanzada, donde se busca conciliar el respeto a la naturaleza con un crecimiento económico sostenido, enmarcado en futuros modelos de economía circular. En este contexto social, económico y ambiental, surge la presente Tesis Doctoral, cuyo propósito es evaluar, desde perspectivas tanto técnica como ambiental, la aplicación de materiales reciclados, residuos, subproductos y nanomateriales de última generación, para la construcción de capas de carreteras. El objetivo es reducir el uso de materiales de construcción convencionales, con una elevada huella de carbono, disminuir la necesidad de tierras de préstamo en la construcción de carreteras, eliminar potencialmente el transporte de suelos a vertederos en obras viales y reutilizar residuos depositados hasta la fecha en vertederos, a la vez que se mejoran sus características técnicas de las carreteras. Esta investigación se centra en la aplicación de áridos reciclados mixtos (ARM), cenizas de fondo de biomasa (CFB), cenizas volantes de biomasa (CVB), escorias blancas de acería (EBA), y varios nanomateriales basados en sílice de última generación. El trabajo de investigación, en su primera fase, inicia con el estudio de las propiedades físicas, químicas y mineralógicas de los materiales mencionados anteriormente. El objetivo es ampliar el conocimiento actual sobre los mismos y establecer las aplicaciones más adecuadas para cada material en las distintas capas que componen una carretera. Después de la caracterización de los materiales, la segunda fase aborda el estudio de la aplicación de ARM como material granular para base de carreteras. Este análisis permite evaluar los efectos ambientales de la recogida selectiva de los residuos de construcción y demolición (RCD), facilitando la definición de nuevos límites restrictivos para su aplicación y ampliando su rango de utilización. La tercera fase se enfoca en la viabilidad de utilizar residuos, subproductos industriales y nanomateriales como estabilizadores de suelos de carretera. Un estudio de optimización de dosificaciones demuestra cómo la adición de estos materiales mejora las propiedades de los suelos. Además, se realiza un innovador estudio de combinación de nanomateriales con subproductos industriales. La cuarta fase implica la construcción de un tramo a escala real de carretera de baja intensidad, aplicando el conocimiento adquirido durante el desarrollo de la Tesis Doctoral. Este estudio permite analizar la evolución a lo largo del tiempo del efecto de la adición de estos nuevos materiales en condiciones reales. Finalmente, todo el estudio se complementa con un análisis de ciclo de vida integral, cuantificando las mejoras ambientales derivadas de la aplicación de estos nuevos materiales en comparación con los materiales de construcción convencionales de carreteras. La metodología presentada y los resultados obtenidos durante la realización de la Tesis Doctoral demuestran la viabilidad del uso de nuevos materiales a partir de subproductos como alternativa para la construcción sostenible de carreteras. Esto se analiza desde una perspectiva científica y rigurosa, en armonía con los principios del Desarrollo Sostenible.