Estudio de durabilidad y de comportamiento mecánico en hormigones y materiales tratados con cemento, aplicando residuos industriales y áridos reciclados

Resumen

1. Introducción o motivación de la tesis En la actualidad, la elevada demanda de energía y productos de consumo a nivel mundial induce a que numerosas industrias produzcan bienes y servicios que tienen como resultado la generación de residuos con difícil o nula salida técnica y medioambiental. Entre estas industrias se encuentra la industria productora de energía a partir de biomasa. Este tipo de industrias generan dos tipos de residuos: cenizas volantes de biomasa que son extraídas por corriente de gases, y cenizas de fondo de biomasa, que son extraídas desde el fondo de la cámara de combustión. Otras industrias, como la construcción, generan residuos de construcción y demolición que, comúnmente, tienen como punto de destino su deposición en vertederos. Ello conlleva un acortamiento de la vida útil de éstos, y como consecuencia, un mayor impacto ambiental. El comportamiento de hormigones fabricados con áridos reciclados de hormigón ha sido ya investigado por diversos autores en las últimas décadas (Bairagi et al.,1993, Topçu, 1997, Limbachiya et al., 2000, Sagoe-Crentsil et al. 2001, Katz, 2003, Poon et al., 2004, Etxeberría et al., 2007, Barbudo et al., 2013, Cartuxo et al., 2015). Otras investigaciones han sido realizadas respecto al uso de áridos reciclados mixtos en hormigones (Agrela et al., 2011, Yang et al., 2011, Mas et al., 2012., Martinez-Lage et al., 2012). Respecto al estudio de cenizas de biomasa, algunas investigaciones se han llevado a cabo para conocer sus propiedades físicas y químicas (Hinojosa et al., 2014, Cabrera et al., 2014). Si bien algunas investigaciones han sido realizadas para estudiar la aplicación de cenizas volantes de biomasa en hormigones (Rajamma et al., 2009., Cuenca et al., 2013, Maschio et al., 2011), no existen en la actualidad trabajos de investigación que hayan estudiado en profundidad el comportamiento de cenizas de fondo de biomasa en hormigones fabricados con áridos reciclados. El conocimiento es la principal baza para que residuos procedentes de diversas industrias puedan ser reciclados y reutilizados en el sistema de producción en la construcción. Concretamente, la conjunción de los materiales anteriormente mencionados en la fabricación de hormigones, concede a esta investigación un carácter exclusivo e innovador. Así pues, la principal motivación de esta Tesis Doctoral ha sido la de ampliar el conocimiento existente hasta la fecha sobre la valorización y reutilización de estos residuos (cenizas de fondo de biomasa y áridos reciclados procedentes de RCD) en el sector de la construcción para contribuir al fomento del reciclaje de materiales en el sector de la construcción, una acción vital y fundamental para el desarrollo de la humanidad y para la vida del planeta. 2.Contenido de la investigación La línea de investigación de esta Tesis Doctoral ha sido fundada sobre dos pilares esenciales: el primero, el análisis de la capacidad cementante de las cenizas de fondo de biomasa y como sustituto de la fracción fina en la fabricación de hormigones, y el segundo, la posibilidad de utilizar un árido reciclado de granulometría continua reemplazando a los áridos naturales, tanto en su fracción fina como en la gruesa, en su aplicación como hormigones no estructurales. Para ello, se analizaron las propiedades mecánicas y de durabilidad de hormigones fabricados con áridos reciclados y/o cenizas de fondo de biomasa, cuyas magnitudes fueron comparadas ampliamente con estudios previos de otros autores. La línea de investigación se dividió en cuatro fases para conseguir los objetivos marcados: - Fase 1. Determinación de la capacidad cementante de cenizas de fondo de biomasa. En esta fase, se realizó un estudio del comportamiento mecánico de morteros fabricados con CFB para evaluar su capacidad cementante y su comportamiento como árido fino en morteros de albañilería. Para estudiar su capacidad cementante, diferentes porcentajes y diferentes tipos de cemento (0, 10 y 20%, en volumen, de cemento CEM-I y CEM-II) se sustituyeron por cenizas de fondo de biomasa trituradas. Por otro lado, para estudiar la viabilidad de uso de las cenizas de fondo de biomasa como fracción fina, se aplicaron sustituciones de 0, 10 y 20%, en volumen, de AN normalizada según UNE-EN 196-1 por cenizas de fondo de biomasa en su fracción 0-2 mm. -Fase 2. Análisis del efecto de adición de cemento en las propiedades mecánicas y de durabilidad de hormigones fabricados con áridos reciclados de hormigón Por otro lado, se investigó la influencia de la cantidad de cemento, con dos relaciones agua/cemento diferentes, en las propiedades mecánicas y de durabilidad de hormigones fabricados con diferentes tasas de sustitución de grava natural por ARH. Con tal fin se realizaron dos series de cuatro amasadas de hormigón de acuerdo a una cantidad base de cemento (300 kg y 375 kg). Con el objetivo de obtener semejantes valores de resistencia a compresión a 28 días como valor constante, se adicionó un 3, 6 y 12% en cada serie para tasas de sustitución de 20, 50 y 100% de grava natural por ARH. - Fase 3. Estudio de las propiedades mecánicas y de durabilidad en hormigones fabricados con áridos reciclados y cenizas de fondo de biomasa. La investigación de la Fase 3 se centró en el análisis de las propiedades físico-mecánicas y de durabilidad de 3 series de amasadas clasificadas en función de su árido grueso. La primera serie contuvo hormigones fabricados con grava natural, mientras que las series 2 y 3 se realizaron con áridos reciclados gruesos de hormigón y mixtos respectivamente. Como variable en cada amasada se aplicaron tres tasas de sustitución de AN por cenizas de fondo de biomasa (0, 3 y 6% en volumen). Las propiedades físico mecánicas fueron resistencia a compresión, resistencia a flexión, densidad y absorción. Por otro lado, las propiedades de durabilidad analizadas fuero penetración de agua bajo presión, penetración de cloruros y retracción del hormigón. - Fase 4. Determinación de la influencia de cenizas de fondo de biomasa procesadas y áridos reciclados “todo-uno” en hormigones. Para la Fase 4 se aplicaron dos innovaciones fundamentales respecto del estudio anterior. La primera concernió a la aplicación de las cenizas de fondo de biomasa, que fueron aplicadas tanto de forma tradicional como procesadas (con extracción de partículas flotantes). La segunda innovación fue la incorporación de áridos reciclados de granulometría continua, es decir, la sustitución de áridos naturales por áridos reciclados en toda su fracción granulométrica. Por tanto, se realizaron tres series de amasadas clasificadas de acuerdo al tipo de árido aplicado (0, 15 y 30% de ARH y ARM en volumen). Cada serie estuvo compuesta de 5 amasadas, de acuerdo al porcentaje de sustitución de AN por CFB (0% de CFB, 15-30% de CFB sin procesar y 15-30% de cenizas de CFB procesadas, en volumen). 3. Conclusiones En general, el uso de AR reduce las propiedades mecánicas y de durabilidad de los hormigones fabricados con este tipo de residuos respecto al hormigón de referencia en prácticamente todos los casos. Sin embargo, este trabajo demuestra que una adición del 12% de cemento iguala e incluso mejora las resistencias a compresión y flexión. Por otro lado, la incorporación de CFB reduce las propiedades mecánicas y de durabilidad en hormigones debido a su peor comportamiento como árido sustituto de la AN y a su no capacidad cementante como sustituto del cemento. Por ello, la utilización de ambos tipos de residuos, tanto AR gruesos como CFB queda reducida a hormigones de exigencias técnicas reducidas y bajo condiciones ambientales no agresivas, siempre y cuando exista una adecuada supervisión técnica. 4. Bibliografía  Bairagi, N.K., Kishore Ravande, Pareek, V.K., 1993. Behaviour of concrete with different proportions of natural and recycled aggregates. Resources, Conservation and Recycling 9, 109-126.  Topçu, I.B., 1997. Physical and mechanical properties of concretes produced with waste concrete. Cement and Concrete Research 27 (12), 1817-1823.  Limbachiya, M.C., Leelawat, T., Dhir, R.L., 2000.Use of recycled concrete aggregate in high-strength concrete. Materials and Structures 33, 574-580.  Sagoe-Crentsil, K.K., Brown, T., Taylor, A.H., 2001. Performance of concrete with commercially produced coarse recycled concrete aggregate. Cement and Concrete Research 31, 707-712.  top, A., 2003. 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