Hormigones eco-celulares one-part (ecc-op) basados 100 % en materiales residuales

Abstract

[ES] El presente trabajo de investigación presenta un nuevo concepto de hormigón celular basado en el consumo minimizado de recursos y casi nulo de energías, durante la fase de producción del material como a lo largo de la vida útil de las edificaciones: los nuevos hormigones eco-celulares "one-part" (ECC-OP). Se lleva a cavo el desarrollo, caracterización y evaluación medioambiental del material. En la primera etapa de trabajo, se introducen e investigan los nuevos hormigones celulares geopoliméricos (GCC) y hormigones celulares de activación alcalina (AACC) en los que el cemento Portland, conocido por su uso indiscriminado a nivel mundial y su gran impacto ambiental y económico, se sustituye por el catalizador gastado de craqueo catalítico (FCC) y la escoria de alto horno (BFS) respectivamente. A partir de la concepción de estos nuevos materiales se va introduciendo variables de mejora: i) empleo de agentes aireantes alternativos: papel de aluminio reciclado, agua oxigenada y sub-productos del tratamiento de escorias salinas; ii) desarrollo del concepto de co-molienda entre los precursores y los aireantes alternativos; iii) combinación de aireación mecánica y química de las matrices mediante polvo de aluminio y un espumante, el lauril sulfato de sodio; y vi) estudio del comportamiento frente a tratamientos de curado alternativos al autoclave. Los materiales se estudian y comparan microestructuralmente, se ensayan sus características funcionales (densidad, resistencia mecánica a la compresión y conductividad térmica) y se evalúan medioambientalmente. Además, se caracteriza la matriz porosa resultante combinando técnicas microscópicas y de análisis de imagen, así como mediante ensayos hídricos. En esta segunda etapa de trabajo, se introduce el concepto de hormigón eco-celular (ECC), en el que los silicatos comerciales de la disolución activadora se sustituyen por una fuente alternativa de sílice procedente de un residuo agrícola: la ceniza de cáscara de arroz (RHA). Se desarrollan e investigan sistemas de ECCs con FCC y ECCs con BFS, en los que se emplea como agente aireante el papel de aluminio residual y se incorpora mediante el procedimiento de co-molienda con el precursor. Los ECCs se diseñan para obtener unas propiedades óptimas y se comparan con los TCC, GCC y AACC, tanto física y mecánicamente como medioambientalmente. Como resultado, se obtienen ECCs estables, con densidades inferiores a los 1000kg/cm3 y con los que se consigue una reducción de las emisiones de CO2 del 74 % en el caso de los constituidos con FCC y del 78 % para los constituidos con BFS, respecto a los sistemas tradicionales. Finalmente, en la tercera etapa de trabajo se presenta la mayor innovación en cuanto a la ecoeficiencia y el objetivo de consumo nulo de recursos naturales planteados: el estudio de la ceniza de hueso de oliva (OBA) como fuente alcalina alternativa en la disolución activadora. La OBA es un residuo agrícola compuesto fundamentalmente de potasio y calcio, y se presenta como una alternativa potencial para la sustitución del hidróxido alcalino comúnmente empleado en la activación de la BFS. El empleo de la OBA se estudia inicialmente en sistemas de activación alcalina de BFS: se desarrollan, en primer lugar, sistemas binarios (BAAM) con OBA/BFS y a continuación se complementa el estudio combinando esta ceniza con la RHA constituyendo sistemas ternarios (TAAM) con OBA/BFS/RHA. Una vez sentadas las bases previas, se desarrolla la cuarta etapa experimental, se aplica por primera vez la modalidad de fabricación "one-part", que consiste en la co-molienda de todos los materiales sólidos de modo que únicamente se requiere de su mezcla con agua para la producción del material final: los nuevos ECC-OP. Estos materiales son diseñados y analizados en torno a las características funcionales exigidas por la normativa europea para la industria de los prefabricados y se evalúan medioambientalmente media

[CA] El present treball d'investigació presenta un nou concepte de formigó cel·lular basat en un consum mínim de recursos i quasi nul d'energies durant la fase de producció del material així com durant la vida útil de les edificacions: els nous formigons eco-cel·lulars "one-part" (ECC-OP). Es desenvolupa, caracteritza i avalua mediambientalment el material mitjançant un pla de treball que s'ha distribuït en passos graduals de millora. Les etapes del treball han estat centrades d'una banda en els materials constituents i d'altra banda en el procediment de fabricació. A la primera etapa de treball, s'introduïxen i investiguen els nous formigons cel·lulars geopolimèrics (GCC) i formigons cel·lulars d'activació alcalina (AACC) en els quals el ciment Pòrtland, conegut pel seu us indiscriminat i el seu gran impacte ambiental i econòmic, se substituïx per catalitzador gastat de craqueig catalític (FCC) i escòria d'alt forn (BFS) respectivament. A partir de la concepció d'estos nous materials es van introduint variables de millora: i) ús d'agents aireantes alternatius: paper d'alumini reciclat, aigua oxigenada i subproductes del tractament d'escòries salines; ii) desenvolupament del concepte de co-mòlta entre els precursors i els reactius generadors de gas alternatius; iii) combinació de generació de porositats a les matrius per medi mecànic i químic utilitzant pols d'alumini i un tensioactiu, el lauril sulfat de sodi; i iv) estudi del comportament amb l'aplicació de tractaments de curat alternatius a l'autoclau. Els materials s'estudien i comparen micro-estructuralment, s'analitzen les propietats funcionals (densitat, resistència mecànica a la compressió i conductivitat tèrmica) i s'avaluen mediambientalment. A més, es caracteritza la matriu porosa resultant combinant tècniques microscòpiques i d'anàlisi d'imatge, així com per mitjà d'assajos hídrics. En esta segona etapa de treball, s'introduïx el concepte de formigó eco-cel·lular (ECC) , en el que els silicats comercials de la dissolució activadora se substituïxen per una font alternativa de sílice procedent d'un residu agrícola: la cendra de corfa d'arròs (RHA) . S' investiguen sistemes d'ECC amb FCC i sistemes d'ECC amb BFS, en els que s'empra com a agent generador de gas el paper d'alumini residual i s'incorpora per mitjà del procediment de co-mòlta amb el precursor. Els ECCs es dissenyen per a obtindre unes propietats òptimes i es comparen amb els TCC, GCC i AACC, tant física i mecànicament com mediambientalment. Com a resultat, s'obtenen ECCs estables, amb densitats inferiors als 1000kg/cm3 i amb els que s'aconseguix una reducció de les emissions de CO2 del 74 % en el cas dels constituïts amb FCC i del 78 % per als constituïts amb BFS, respecte als sistemes tradicionals. En la tercera etapa de treball es presenta la major innovació quant a l'eco-eficiència i l'objectiu de consum nul de recursos naturals: l'estudi de la cendra d'os d'oliva (OBA) com a font alcalina alternativa per a la fabricació de la dissolució activadora. L'OBA és un residu agrícola compost fonamentalment de potassi i calci, i es presenta com una alternativa potencial per a la substitució de l'hidròxid alcalí comunament empleat en l'activació de la BFS. L'ús de l'OBA s'estudia inicialment en sistemes d'activació alcalina de BFS: sistemes binaris (BAAM) amb OBA/BFS. A continuació, es complementa l'estudi que combina l'ús de l'OBA amb la RHA constituint sistemes ternaris (TAAM) formats per OBA/BFS/RHA. Finalment, s'aplica per primera vegada la modalitat de fabricació "one-part", que consistix en la co-mòlta de tots els materials sòlids de manera que únicament es requerix de la seua mescla amb aigua per a la producció del material final: els nous ECC-OP. Estos materials són dissenyats i analitzats segons les característiques funcionals exigides per la normativa europea per a la indústria dels prefabricats i s'avaluen mediambientalment pe

[EN] In this investigation, a new concept of cellular concrete had been developed based on both the low natural resources as well as nearly zero-energy consumptions: the new one-part eco-cellular concrete (ECC-OP). The development, the characterization and the environmental assessment of the material were carried out. A working plan has been broken down into progressive stages where the improvements were focused on the constitutive materials as well as on the manufacture procedures. In the first working step, the geopolymer cellular concretes (GCC) and the alkali-activated cellular concretes (AACC) were investigated. The OPC worldwide known by its high economic costs, non-reasonable use and its environmental issues was replaced for the fluid catalytic cracking catalyst residue (FCC) and for the blast furnace slag (BFS) respectively. In the new GCC and AACC systems, steps of improvements were introduced progressively: i) the use of alternative aerating agents as the recycled aluminium foil, hydrogen peroxide and salt-slags recycled by-products; ii) a new concept of co-milling between precursors and the alternative aerating agents was introduced; iii) matrix aeration by the chemical and mechanical means where the aluminium powder was combined with the sodium lauryl sulphate (SLS), and vi) alternative curing treatments to the traditional autoclave. A microstructural and functional characterisation and an environmental assessment of the materials were carried out. Furthermore, the air-void characterization was done by microscopic, image analysis and hydric tests means. In the second working step, the new eco-cellular concretes (ECC) were introduced and investigated. The silicates in the alkali-activated dissolution were replaced by an alternative silica sourced from an agricultural residue: the rice husk ash (RHA). The new systems were developed with the use of both the BFS and the FCC as precursors and the aerating agent was the recycled aluminium foils by the co-milling procedure. The optimal properties of the new ECC were investigated and a comparison with the TCC, GCC and AACC was done. The new ECCs yielded densities less than 1000kg/cm3 and, comparing with the TCC systems, the CO2 emissions were lower in 74 % when the FCC was employed and in 78 % when the BFS was employed. Finally, in the third working step, the more highlighted novelty in the ecoefficiency and the objective of near cero natural resources consumption was presented: the study of the olive-stone biomass ash (OBA) as an alternative alkali source for the activating dissolution. The OBA is a farming waste mainly composed of potassium and calcium, thus, is a well alternative to the traditional potassium hydroxide employed for the BFS activation. The OBA was firstly introduced in binary systems (BAAM) composed by OBA/BFS mixed with water. Then, the OBA and RHA were combined to the BFS activation in the new ternary systems composed 100 % by residues (TAAM). A complete characterization of the OBA, as well as the mortars and pastes manufacture procedure investigations were carried out. The microstructural, physical and mechanical characterization of the new TAAM was done to its application in the cellular concrete technology. The last working step of the present investigation consisted of the ECCs based on BFS activated with RHA and OBA. Furthermore, for the first time, the "one-part" manufacture procedure was applied to obtain the new "one-part" eco-cellular concretes (ECC-OP). The "one-part" consist of the co-milling of all solid materials and their mix with water to obtain the cellular concrete (similar to the traditional OPC procedure). The materials were designed from scratch: dosages, characterization, comparisons with the TCC, AACC and ECC, European standards compliments. Furthermore, environmental issues of the ECC-OP through the cradle-to-gate modality of the life circle analysis (LCA) were evaluated obtaining their 100 years Global Warming Potential (GWP-100).