Hormigones sostenibles ligeros y de altas prestaciones

Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 987 53. Hormigones sostenibles ligeros y de altas prestaciones Miñano, Isabel (1, *), Benito, Francisco J.(1) Parra, Carlos J.(1) , Hidalgo, Pilar(2) (*)Grupo de Ciencia y Tecnología Avanzada de la Construcción. Departamento de Arquitectura y Tecnología de la Edificación / Universidad Politécnica de Cartagena, [email protected] y 677466916 (1) Departamento de Arquitectura y Tecnología de la Edificación / Universidad Politécnica de Cartagena. (2) Departamento de Calidad y Medio Ambiente/ Cementos La Cruz, S.L. Resumen La investigación nace de la problemática ambiental que se deriva de la producción, almacenamiento y generación en grandes cantidades diarias de residuos industriales. Para ello se propone la reutilización de subproductos de origen plásticos, madereros y lodos de la industria papelera para la fabricación de hormigones reciclados de altas prestaciones (HP) y hormigones ligeros (ECOHUL).Se utilizan además nanomoléculas de sílice y adiciones activas (cenizas volantes) para aumentar la durabilidad de los hormigones. Las principales ventajas de este nuevo material son su baja densidad, haciéndolo idóneo para su función en zonas sísmicas y una alta impermeabilidad. En general, los hormigones diseñados y analizados en esta investigación han demostrado que la utilización de áridos ligeros reciclados varía sustancialmente la densidad de los hormigones y sus resistencias a compresión (de forma prácticamente lineal). Sin embargo, y de forma muy positiva, se ha constatado que las dosificaciones adoptadas, con y sin residuos, se han comportado de forma similar en los ensayos de durabilidadcloruros, carbonatación y absorción capilardestacan- do la pequeña carbonación, y baja penetraciones de cloruros (menores de 1 cm) en todos los hormigones estudiados. Palabras clave. Hormigón ligero, Altas prestaciones, Residuo industrial. 1 Introducción El alto consumo de recursos naturales, la producción de gran cantidad de desechos industriales y la contaminación del medio ambiente requieren de nuevas soluciones para un desarrollo sostenible. El sector de la construcción aporta impactos ambientales negativos, tales como un consumo excesivo de recursos naturales no renovables para la extracción de materias primas (sobreexplotación). Por ello la industria del hormigón, cada vez más concienciada con los aspectos medioam- Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 988 bientales, tiende a reducir el consumo de recursos naturales con la reutilización de desechos, que minimizan los efectos medioambientales del sector. La creciente degradación del medio ambiente y la preocupación de la industria para cumplir con las legislaciones de residuos hacen que algunos de ellos de origen industrial, como las cenizas volantes, sean cada vez más utilizados para sustituir parte del cemento en la producción de hormigón. La consecución de todas las fases de esta investigación ha pretendido profundizar en el conocimiento de hormigones de altas resistencias (HP) y ligeros (ECOHUL) para uso estructural, a la vez que más respetuosos con el medio ambiente. 2 Caracterización de los materiales Para este estudio se empleó Cemento Portland CEM I 52.5 R, fabricado en las plantas de Cementos La Cruz, S.L. La composición química de las cenizas volantes y los lodos de papel, empleados como sustitutivos del cemento fueron obtenidos por fluorescencia de rayos X. Tabla 1 Composición química de los componentes mayoritarios ÓXIDOS CEMENTO CENIZAS VOLANTES LODOS DE PAPEL (LP calcinado) LODOS DE PAPEL(LP sin tratamiento) Na2O 0.372 1.24 2.84 1 MgO 2.52 1.98 2.82 0.698 Al2O3 4.09 23.47 4.77 1.56 SiO2 16.89 48.38 3.68 1.19 P2O5 0.176 0.897 4.66 1.71 SO3 4.061 0.958 2.09 1.36 Cl 0.142 - 0.17 0.17 K2O 1.33 2.17 0.544 0.292 CaO 64.74 8.18 61.44 23.14 TiO2 0.259 1.27 0.294 0.122 Fe2O3 3.507 7.502 0.624 0.151 SrO 0.104 0.2285 0.0434 0.050 BaO 0.053 0.278 - 0.014 Las características fundamentales que se buscan en la investigación es usar lodo de papel, aportado por la empresa Compost Reciclables S.L, como adición activa al cemento. Los lodos se recepcionan con un 50% de humedad debido al proceso industrial por el cual se obtienen como residuo reciclado del papel. Fue necesario desecar previamente durante 24h en estufa a 105ºC. Posteriormente se calcinaron en el horno de mufla a 750ºC durante aproximadamente 120 minutos, con objeto de eliminar la materia orgánica y promover la transformación cristalográficas de los Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 989 0 20 40 60 80 Lodo calcinado 1,33% Lodo calcinado 2,66% Ref. 0% Lodo sin tratamiento 1,33% Lodo sin tratamiento 2,66% Resistencia media a compresión (MPa) 7 días 28 días Lineal (7 días) Lineal (28 días) compuestos mineralógicos que disponen. Con la calcinación se observó una perdida en peso aproximada del 32,18%, quedando carbonato cálcico y otros compues- to estables. Para investigar el efecto de los lodos de papel de partida y calcinados se analizó la resistencia a compresión (UNE-EN 196-1) en probetas de mortero normalizadas (4x4x16cm) con sustituciones parciales del 1.33% y 2.66 % hasta 90 días de edad. La composición normalizada de estos morteros comprende: árido natural silíceo (1350g), agua (225g) y cemento de referencia CEM I 52.5R (450g), como mortero de referencia, (REF 0%). Se plantearon sustituciones parciales de 1.33% y 2.66% del cemento por de lodos sin tratamiento (LP sin tratamiento) y lodos calcinados (LP calcinado). Los resultados obtenidos (Fig. 1) revelan que las matrices de cemento elaborado con porcentajes de sustitución de lodos de papel calcinado iguales a 1.33 % en relación al cemento, aumentan la resistencia a compresión con respecto al mortero de referencia, siendo este mayor que el que experimentan con los morteros con sustituciones de 2.66%. Los lodos sin tratamiento térmico tienden a presentar resistencias a compresión inferiores al mortero control. Una disminución del tamaño de particular (Fig. 2) y una mayor proporción del SiO2 vítrea (Tabla 1) incrementa la actividad puzolánica de los lodos, debido a un mayor contacto entre partículas de cemento y los lodos de papel, lo que justificaría en parte el resultado. Fig 1 Resistencia media a compresión de morteros con lodos de papel calcinados y sin tratamien- to Para determinar la distribución de tamaños de partículas muy pequeñas se obtuvo la granulometría mediante el analizador de partículas Mastersizer 2000 de Malvern Instruments. La Fig. 2 muestra una comparación entre las curvas granulométricas del cemento y las adiciones empleadas en este estudio. Puede verse como el lodo de papel de partida (representado en color rojo), es el material más grueso, con el pico de máxima concentración en 300µm. Con el tratamiento térmico, el pico de máxima concentración desciende a 4 µm, muy inferior al del cemen- to (11 µm). Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 990 Fig 2 Análisis granulométrico laser y superficie especifica de las partículas cementante En la investigación de Lorca, P. (2014) indica que cuando las partículas presentan una mayor superficie específica las reacciones se producen con una velocidad mayor, ya que la energía necesaria para activar la reacción es menor. Por lo general, menores tamaños de partículas utilizadas son más reactivos por tener una superficie específica mayor, como es el caso de los lodos de papel calcinados. Es decir, la mayor superficie de reacción en una partícula hace que su hidratación sea más rápida y efectiva. Los análisis mineralógicos se hicieron mediante difracción de rayos X (DRX). Para la operación del equipo se utilizó radiación CuK θ (1.542 Å) en las siguientes condiciones para todos los análisis: rango de barrido de 10 a 80° 2θ, para un paso de 0.03° 2θ y un tiempo de incidencia de 3 segundos por paso. La identificación de fases minerales presentes se ha realizado por medio de la base de datos del JCPDS (Joint Comité on Powder Diffraction Standards). La estructura atómica es una característica esencial que concreta las propiedades cementantes del material. Para los materiales de reemplazo del cemento, como es el caso de las cenizas volantes y lodos de papel, se requiere un estado estructural amorfo -elevada energía interna e inestables termodinámicamente y muy reactivos químicamente- (Hewlett, P. (1998)). Las cenizas volantes están compuestas en su mayor parte de materia mineral (65%) en forma de partículas fundamentalmente vítreas con una pequeña proporción de fase cristalina (35%). Mientras que el cemento esta compuestas en su mayor parte de materia mineral básicamente cristalino (entre 70-90%) (Tabla 2). Los minerales más importantes encontrados en las cenizas volantes y el cemen- to son la: mullita, sílice, aluminatos cálcicos, anhidrita y óxido de calcio libre. A continuación, se recoge el análisis estructura por difracción de rayos X de la parte cristalina, medido en % (p/p). 0 1 2 3 4 5 6 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00 % Volumen Tamaño particula (µm) Lodo Lodo calcinado Ceniza volante Cemento Material Superficie especifica (cm2/g) Cemento 15.200 Ceniza Volante 8.950 Lodos de papel de partida 3.660 Lodos de papel calcinados 17.100 Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 991 Tabla 2 Análisis estructura de la parte cristalina (% (p/p)) Fases Cemento Ceniza Volante Lodos de papel calcinados Lodos de papel sin tratamiento Silicato 79 9 0 Silicato de calcio 79 9 Óxidos 11 87 56 Cuarzo 32 Mullita 49 Corindon 6 Oxido de Ca, Mn, Fe y Al 9 Oxido de Ca y Al 2 Perovskita 29 Oxido de Calcio 27 Fosfatos 28 Hidroxilapatita 28 Carbonatos 4 100 Calcita 100 Dolomita 4 Otros 10 16 Anhidrita 10 Yesos <1 Portlandita 16 Cristalinidad (%) 78 35 69 71 Suma (%) 100 100 100 100 Los mejores materiales de remplazo no son los 100% amorfos, sino que es necesario que exista una pequeña proporción de fase cristalina ya que actúan como sitios de nucleación del gel CSH y por ende la resistencia a compresión de estos materiales incrementa notablemente. En base a esto, se puede decir que las características amorfas de los materiales empleados en la investigación se encuentran en rangos aceptables y se puede esperar propiedades cementantes apropiadas. Se ha efectuado el ensayo de granulometría de las partículas a los distintos áridos empleado en la investigación (Fig. 4), según rige la norma UNE EN 933- 1:2012. El Alfafil es un granulo en base de propileno (PP) recuperado, reforzado con un 40% de carbonato cálcico ultrafino. Y presenta color negro y blanco como se muestra en la micrografía de la Fig 4. (derecha), junto al corcho (izquierda). Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 992 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,01 0,1 1 10 % Pasa Abertura del tamiz (mm) Alfafil Corcho Grava Arena 0/4 Fig 4 Curva granulométrica de los diferentes áridos empleados y micrografía a diferentes escalas del árido Alfafil y los gránulos de corcho 2 Estudio de las dosificaciones En todas las dosificaciones se ha empleado un cemento tipo CEM I 52.5R (este tipo de cemento se caracteriza por presentar un contenido en clínker igual o superior al 95%) al que se incorpora árido fino calizo de machaqueo de fracción granulométrica 0-4mm y árido grueso de fracción 4-10mm. Estos áridos son sustituidos en parte por gránulos de corcho y Alfafil de fracción granulométrica similar. A todos los hormigones se le añade un aditivo superplastificante (MasterGlenium ACE 459 BASF), siendo su uso necesario dado la consistencia seca de las diferentes dosificaciones y nanosílice (MasterRoc MS 685 BASF). En cuanto a los criterios de sustitución de los áridos, se selección de la fracción granulométrica de árido natural (grava) por los gránulos de corcho y en sustituir árido natural 0/4 por residuos de plástico Alfafil, de manera que el volumen total de los áridos se mantuviera constante, ya que residuos de plástico se aproximaban más al árido de tamaño 0/4, aunque carezcan de fracciones finas. Las dosificaciones empleadas se han obtenido tras un amplio programa experimental previo. Las mezclas se efectuaron con una relación agua/ material cementante que se mantuvo constantes de 0.25 para el HP700 y el ECOHUL700 y de 0.26 para el HP550 y el ECOHUL550. Además se estudiaron las propiedades mecánicas del ECOHUL550(L) y el HP550(L) con adiciones de lodo de papel, en torno al 1.33%, ya que este fue el que mejor resultados obtuvo en la caracterización de materiales. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 993 Tabla 3.Dosificaciones estudiadas DOSIFICACIÓN Agua l Cemento kg CV kg NanoSi02 l Arena (0-4) kg Grava Kg SP l Alfafil kg Corcho kg HP550 160 550 130 14 1015.16 507.58 11.00 HP700 180 700 70 14 927.19 463.6 11.75 ECOHUL700 180 700 70 14 593.39 129.82 11.75 189.49 19.77 ECOHUL550 160 550 130 14 646.94 142.27 11.00 206.16 21.5 3 Resultados y discusión Las dosificaciones de hormigón se caracterizaron mediante el siguiente plan experimental: 3.1 Estudio del comportamiento en estado endurecido 3.1.1 Resistencia a compresión y densidad Se ensayan tres probetas para cada dosificación, realizándose el ensayo según rige la norma UNE- EN: 12390-2, a 7, 28 y 90 días, para resistencia a compresión y la densidad (UNE- EN: 12390-7:2009). Se define como hormigón ligero estructural aquel hormigón de estructura cerrada, cuya densidad aparente, medida en condición de seco hasta peso constante, es inferior a 2000 kg/m3, pero superior a 1200 kg/m3 y que contiene una cierta proporción de árido ligero, tanto natural como artificial (Anejo 16, EHE-08). En este sentido, en la Fig. 5 se representan los hormigones analizados remarcando la zona delimita para hormigón ligero estructural. “Para el caso de hormigones ligeros estructurales, la resistencia mínima se establece en 15 ó 20 N/mm2 en tanto que la resistencia máxima depende del tipo de árido ligero que se trate y del diseño particular de la mezcla. Si bien existen aplicaciones de hormigones ligeros de alta resistencia, la resistencia máxima del hormigón ligero estructural se limita a 50 N/mm2” (Anejo 16, EHE-08). Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 994 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 Resistencia media a compresión (MPa) Edad (días) HP 550 HP 700 ECOHUL 550 ECOHUL 700 HP 550 (L) ECOHUL 550 (L) Fig 5 Resistencia media a compresión a 28 días en relación con la densidad La evolución de la resistencia a compresión es un parámetro muy importante a la hora de estudiar las propiedades mecánicas. La menor resistencia de los ECOHUL es debido principalmente a la baja unión entre la superficie del Alfafil y el corcho la pasta de cemento, en las micrografías (Fig. 6) la matriz presenta microfisuras en torno a los gránulos de corcho, lo que mermara sustancialmente la resistencia a compresión, en todos los ECOHUL. ! Fig 6 Evolución de la resistencia media a compresión y micrografías a la edad 28 días (a) ECOHUL700, (b) ECOHUL550 y (c) ECOHUL550(L) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000 2.200 2.400 2.600 2.800 3.000 Resistencia a compresión (MPa) Densidad Kg/m3 HP 550 HP 550 (L) HP 700 ECOHUL 550 ECOHUL 550 (L) ECOHUL 700 Zona de hormigones ligeros estructurares (EHE) a c b Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 995 3.2 Estudio de la durabilidad 3.2.1 Porosimetría de intrusión de mercurio El ensayo se realizó según la especificación ASTM D4404-84-2004, validado por la literatura técnica para la caracterización del hormigón, efectuado a la edad de 60 días. En la Fig 7 se muestra la distribución por tamaño de la porosidad. Fig 7 Distribución por tamaño de la porosidad En todos los hormigones, la distribución de volumen de los poros sigue un patrón similar, cada curva tiene dos picos: uno alrededor de tamaños de poro de 90 µm y otro, mucho más pronunciado, alrededor de tamaños 0.05 µm y para el caso especia de los ECOHUL, con corcho en su interior, se destaca un tercer pico en las 100 µm originado por la propia estructura porosa del corcho, con grandes poros. Además, la mayor porosidad de los ECOHUL es claramente influida por la alta porosidad del corcho. El HP 550 claramente tiene una porosidad más fina que el HP 700, desplazándose la curva hacia izquierda (Fig. 7) y a la vez tiene ligeramente una menor porosidad total (Tabla 4). Ambos resultados concuerdan con los resultados mecánicos obtenidos. La menor porosidad del HP 550 hace disminuir las diferencias mecánicas con el HP 700. Tabla 4 Porosidad de los hormigones por intrusión de mercurio HP 550 HP 700 ECOHUL 550 ECOHUL 700 Porosidad total(%) 9.831 10.012 17.763 11.846 Como resumen de todo lo indicado se destaca que con la utilización de los áridos ligeros, sobre todo del corcho, los hormigones son más porosos, con mayor cantidad de macroporos pero también con mayor cantidad de poros de menor tamaño, y no tanto en sus propiedades resistentes (Kumaret al. (2003), Mehta et al. (2007)) y así se ha constatado en la investigación. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 Volumen de intrusión de mercurio (cc/ g)10- 3 Diámetro de poro equivalente (µm) HP 550 HP 700 ECOHUL 700 ECOHUL 550