RESUMEN:
Como respuesta a la incipiente necesidad de mejorar la sostenibilidad de los materiales de construcción y sus procesos de producción, se ha profundizado en el estudio de los materiales y procesos tradicionales, buscando alternativas de mejora mediante la aplicación de nuevas soluciones químicas y/o tecnologías. A partir de este proyecto se han promovido distintas líneas de investigación, tanto nacionales como internacionales, respondiendo a las necesidades demandadas por parte de la industria del sector, como la disminución del impacto ambiental, y así como a la generación de nuevos materiales a partir de sus residuos.
Sonia Rodríguez Valenzuela
Directora de Negocio, AIDICO
Fotos, tablas y esquemas: Cortesía AIDICO
Cementos sostenibles y nuevas puzolanas
El reto de esta línea de investigación se centra en el diseño de cementos reduciendo su contenido de clínker, entre el 50 y 100% sin alterar las propiedades reológicas, duraderas y mecánicas de los concretos actuales.
Dentro de esta línea de investigación, se ha profundizado en el desarrollo de cementos sostenibles de bajo impacto ambiental con bajo contenido en clínker y uso de residuos industriales, como las escorias granuladas molidas de altos hornos y adiciones inertes para la fabricación de concretos. Se evaluó la aceleración de hidratación de dichas escorias, mediante su activación físico-térmica con el empleo de temperatura y activadores alcalinos. Dichos parámetros se optimizaron hasta conseguir una eficacia del 86% de las escorias, con respecto al cemento, empleando sustituciones del 50% por escorias. Con los resultados obtenidos, se pone de manifiesto la viabilidad técnica de poder producir concretos estructurales con un bajo contenido en cemento Pórtland convencional y obteniendo las mismas prestaciones reológicas y mecánicas finales.
Otro campo de trabajo es el desarrollo de una metodología para determinar la evolución de la hidratación del C3S, componente principal del cemento Pórtland, consiguiendo determinar el grado de avance de la reacción en pastas cementantes. Posteriormente, se evaluó la eficacia de la misma sustituyendo parte del cemento por un residuo industrial, lodo cerámico, y determinado la existencia de reacción puzolánica junto con el grado de hidratación de las pastas de cemento con la adición. Dichos resultados, se contrastaron con ensayos mecánicos de determinación de la puzolanicidad que requieren mayores cantidades de material y tiempo de ejecución, obteniendo resultados equivalentes. El protocolo desarrollado permite evaluar el empleo de nuevos residuos en la producción de cementos, tanto en la síntesis del clínker como siendo introducidos como adiciones al cemento.
Además, se trabaja en el desarrollo de aditivos aceleradores de la reacción de hidratación del cemento con el objetivo de introducir nuevos factores que mejoren la eficacia respecto a nanopartículas de sílice y alúmina existentes en el mercado actual. Para ello, se sintetizaron precursores de nanosílice y alúmina. Se obtuvieron mejoras en cuanto a un aumento de la velocidad de reacción y resistencias mecánicas a edades tempranas, mejoras en la durabilidad y reología de pastas, morteros y concretos, mediante la adición de cantidades <2% en peso. También se consiguió reducir en 10 ºC el proceso de curado térmico en la industria del prefabricado y en 50 kg/m3 la dosificación de cemento.
Activación alcalina
Esta línea está vinculada a la primera porque consiste en el empleo de la tecnología de activación alcalina para la obtención de concretos sostenibles mediante el empleo del 100% de residuos industriales. Por tanto, la peculiaridad de dichos concretos o cementos es la ausencia total de contenido en clínker.
En una primera línea de trabajo se ha establecido la base tecnológica para la revalorización de residuos industriales (escoria y ceniza volante) como materias primas para el desarrollo de concretos de pavimentos de carretera mediante la tecnología de activación alcalina. El concreto elaborado para dicha finalidad debía cumplir las características mínimas exigidas por la normativa que rige los pavimentos y ser económicamente viable. Continuamente se trabajó con dos tipos de dosificaciones: escorias con ceniza volante como adición para mayores resistencias y otra de escorias con filler calizo para obtener concreto blanco de resistencias inferiores. Los resultados obtenidos en este trabajo pusieron de manifiesto aspectos tecnológicos que permiten tenerlos en cuenta para el uso de concretos con aglomerantes activados alcalinamente en pavimentos compactados con rodillo. La principal ventaja con respecto a los concretos convencionales es el uso de aglomerantes de menor impacto ambiental, al emplear residuos industriales y materias primas naturales, sin involucrar un proceso de producción altamente energético. Los aglomerantes obtenidos mediante activación alcalina pueden ser una alternativa a los convencionales en aquellas aplicaciones en las que se cumpla las exigencias técnicas y el ciclo de vida útil sea favorable.
En otra tarea se ha estudiado la incorporación de residuos cerámicos como material de partida para la obtención de cementos activados alcalinamente. Inicialmente se han estudiado los lodos cerámicos. Los resultados obtenidos muestran que la calcinación de dichos lodos a temperaturas comprendidas entre 550-800 ºC mejoraron su comportamiento puzolánico respecto a los no calcinados, como consecuencia de la transformación de la caolinita presente en metacaolín. De igual manera, el pre-tratamiento térmico de los lodos mejora la reactividad para la obtención de material cementante a altas concentraciones de álcali, obteniendo resistencias considerables a los 2 días de curado. El empleo de estos residuos como material puzolánico en cementos convencionales fue notable a partir de los 28 días. Se detectó la presencia de caolinita en todos los residuos estudiados. La presencia de caolín implica la susceptibilidad de los residuos que lo contienen de ser activados térmicamente para aumentar su reactividad frente a la activación alcalina o actividad puzolánica.
También se ha llevado a cabo la revalorización de lodos rojos y cenizas de biomasa en la preparación de materiales de construcción mediante la tecnología de activación alcalina. Se emplearon mezclas del 50% de escoria y 50% de lodos rojos (peso en seco).
Como resultado se concluyó que es factible la activación alcalina de las escorias con los lodos rojos sin previo tratamiento, alcanzando resistencias mecánicas de hasta 45 MPa. Estos resultados muestran la viabilidad del uso de algunos residuos industriales con contenido en álcalis, difíciles de gestionar, en la obtención de materiales activados alcalinamente. De esta forma se minimiza el empleo de álcalis sintéticos y se mejora considerablemente la sostenibilidad de estos cementos, desde el punto de vista energético, además de emisiones de CO2 y reutilización de residuos industriales.
Clínker
Nanotecnología aplicada a la producción de clínkeres convencionales y especiales. Esta línea se basa en la reducción del consumo energético durante el proceso de clinkerización, donde se producen transformaciones a elevada temperatura, mediante el uso de sus materias primas a escala nanométrica. El principal objetivo de este trabajo es la mejora de la calidad y sostenibilidad del clínker con el uso total o parcial de nanomaterias primas. Para ello:
a) Se han sintetizado clínkeres con materiales nano, micro y materias primas convencionales.
b) Se ha evaluado la influencia de la temperatura y tiempo de clinkerización en función de la granulometría y naturaleza cristalina de los materiales empleados
El resultado más relevante es que la adición de pequeños porcentajes de nanosílice en el crudo del clínker da lugar a una reducción significativa de la temperatura (200 °C) de clinkerización y mejora de la calidad del mismo, por el aumento del contenido en alita, mejorando la sostenibilidad del cemento obtenido.
Desarrollo de nuevos concretos con agregados reciclados
El objetivo principal de esta línea trabajo consistió en reciclar los finos procedentes del tratamiento de áridos reciclados y aplicar las medidas correctivas para emplearlos en la fabricación de morteros y/o concretos con garantías de durabilidad, a pesar de su elevado contenido en impropios (yesos y arcillas). A día de hoy, la mayoría de los trabajos realizados al respecto, se centran en la utilización de agregado reciclado procedente de concreto en la fabricación de concreto a partir del reemplazo del agregado grueso. La tarea que nos ocupa va más allá, se centra en adecuar los finos procedentes del tratamiento de residuos de construcción para su uso en aglomerantes basados en cemento Pórtland y en aglomerantes alternativos a fin de poder emplearlos en la fabricación de morteros y/o concretos con garantías de durabilidad, a pesar de su elevado contenido de material indeseable (yesos y arcillas). El empleo de arenas recicladas disminuye las resistencias y la durabilidad frente a la acción de sulfatos de los morteros que las incorporan. La adición de ciertas puzolanas como las escorias parece proteger a los morteros que contienen arenas recicladas y mejoran su comportamiento mecánico. Se ha podido comprobar que sustituciones de cemento en torno al 70% por escoria mejoran el comportamiento de los morteros que incorporan arenas recicladas frente a la acción de sulfatos e igualan su comportamiento y su resistencia a la de un mortero normalizado a pesar de tener menor cantidad de cemento en su composición y un árido con un elevado porcentaje en sulfatos. Además se ha evaluado la influencia de la tipología cerámica en la posible reacción árido-álcali. La conclusión es que a pesar de la distinta naturaleza o acabado de los materiales cerámicos, los áridos reciclados cerámicos no se consideran potencialmente reactivos. Por tanto, en principio ninguno de ellos debería de tener su uso penalizado.
Biomasa
Se ha reutilizado la biomasa como agregado ligero. El empleo de biomasa tanto de almendra como de coco o “bio-árido”, reduce la densidad del concreto, pudiéndose conseguir concretos ligeros (ρ < 2000 kg/m3). Las resistencias obtenidas sin embargo se encuentran por debajo de los límites establecidos por la EHE-08 (Instrucción Española de concreto estructural en vigor), reduciendo por tanto su posible aplicación a concretos no estructurales por ejemplo, paramentos interiores no estructurales en los que se pretenda aligerar el peso de la estructura ofreciendo buenas condiciones de aislamiento térmico y acústico.
También se ha reutilizado la biomasa como filler. La adición de polvo de almendra y lixiviado de almendra retrasa la hidratación del cemento y reduce el valor de flujo de calor. El efecto es más visible conforme se aumenta el contenido de cada uno. Este retardo en la hidratación puede ser positivo en el caso de construcciones en altas temperaturas, transportes de larga distancia hasta la obra, etc. Por otro lado, se estudió el efecto de la adición de cenizas de la combustión de biomasa procedente del hueso de aceituna y cáscara de coco. Se observó un efecto puzolánico para ambas cenizas, algo más acusado en las de hueso de aceituna, así como un ligero efecto activador en la escoria.
Espumas Inorgánicas
El objetivo fundamental de este paquete de trabajo es la formulación de espumas de naturaleza inorgánica para su aplicación en prefabricados o recubrimiento en separaciones interiores de edificios (tanto horizontales como verticales) para mejorar el aislamiento termo-acústico y la resistencia al fuego, manteniendo unas propiedades adecuadas para su aplicación (resistencia mecánica, densidad, adherencia, plasticidad en estado fresco). Se han desarrollado y caracterizado varias tipologías de espumas, geopolímeros, yeso, yeso-ettringita. En el caso de los cementos activados alcalinamente se puede considerar que los paneles fabricados presentan propiedades acústicas y mecánicas comparables, o mejoradas, respecto a los concretos celulares curados en autoclave, a excepción de la densidad(siendo algo superior en los sistemas geopoliméricos).
Esto implica la viabilidad técnica de sistemas cementantes mucho más sostenibles que los actuales, con propiedades térmicas mejoradas. En general, se puede decir que los materiales desarrollados presentan un comportamiento intermedio entre las matrices inorgánicas típicas de yeso y los materiales típicos para aislamiento en lo que se refiere a propiedades mecánicas y propiedades termoacústicas. Los futuros desarrollos se centrarán en optimizar las formulaciones y los protocolos de fabricación para llegar a densidades que mejoren las propiedades de estos materiales como aislantes termoacústicos. El uso de estos materiales mejoraría la eficiencia energética de los elementos constructivos convencionales.
En definitiva, el proyecto ha supuesto la adquisición de un elevado know-how en cuanto a la incorporación de nuevos materiales más sostenibles y eficientes a partir de residuos en las diferentes matrices cementantes investigadas. Además ha permitido profundizar en los mecanismos fundamentales que se producen a todos los niveles de los diferentes componentes de la cadena de producción de los materiales de construcción. Empezando desde la producción del clínker, optimizando su proceso y disminuyendo sus costos, así como evaluando la hidratación de nuevos cementos compuestos, analizando su microestructura, cómo afecta la introducción de nuevas puzolanas a partir de residuos o como se desarrollan sus resistencias.
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“En definitiva, el proyecto ha supuesto la adquisición de un elevado know-how en cuanto a la incorporación de nuevos materiales más sostenibles y eficientes a partir de residuos en las diferentes matrices cementantes investigadas”.
CONCLUSIÓN
También se han investigado nuevos aglomerantes con los que es posible disminuir o eliminar en su totalidad el consumo energético y por tanto las emisiones de CO2, puesto que la mayoría de las materias primas para obtener estos materiales proceden de residuos de otras industrias.
Se ha evaluado además, la introducción de nuevos agregados, a partir de residuos, como pueden ser los agregados reciclados así como la biomasa, obteniéndose morteros y concretos especiales con propiedades avanzadas.
