Desarrollo de nuevos conglomerantes hidráulicos con bajo contenido en cemento mediante el empelo de escorias ultrafinas

Abstract

[ES] La existente necesidad de intentar producir materiales más sostenibles y respetuosos con el medio ambiente ha hecho que el cemento, un material el cual su producción tiene grandes repercusiones medioambientales, tienda a ser parcialmente reemplazado como material de construcción por otros materiales más sostenibles. Es en este punto donde la investigación entra en escena, intentando encontrar materiales que pueden proporcionar propiedades similares al cemento de forma eficaz, reduciendo sus desventajas. En el siguiente trabajo se muestra un estudio sobre la viabilidad de utilizar una escoria granulada ultrafina de altos hornos como material cementante y poder reemplazar de esta forma parte o casi la totalidad del cemento, actual material cementante más utilizado en el mundo. Para la obtención de esta escoria granulada ultrafina de altos hornos ha sido necesario tratar, por medio de un proceso de separación de partículas, una escoria granulada de altos hornos molida de forma convencional. El proceso de separación ha constado de lo siguiente: hacer pasar la escoria mediante una corriente de aire a través de un rotor que elimina del sistema las partículas más gruesas de la escoria, luego las más volátiles son enviadas a un ciclón, donde se separan las partículas ultrafinas de las que no, y finalmente las partículas ultrafinas se recuperan de la corriente de aire mediante un filtro de mangas. Se probó con 2 velocidades distintas del rotor, de 60 y 90 Hz, con una velocidad del caudal del aire de 1800 m3/h. De la separación se obtienen 3 fracciones, que se han denominado: rechazo, que es la fracción de partículas más gruesas que se eliminan mediante rotor; ciclón, fracción de las partículas intermedias que se eliminan mediante el ciclón; y filtro, la fracción de las partículas ultrafinas que son las que se recuperan en el filtro de mangas. Todas las fracciones han sido analizadas por difracción de rayos láser para determinar la distribución de tamaños de las partículas. Los resultados demuestran que las partículas obtenidas con el filtro tienen una alta finura, de hasta 6 micras. En ambas velocidades de motor se obtienen finuras muy similares en cada fracción, siendo más fina las fracciones obtenidas a mayor velocidad en cada punto. Se caracterizó todas las fracciones para un mejor conocimiento del material: Densidad real, finura Blaine, difracción de rayos X (DXR), fluorescencia de rayos X (FXR), y microscopia electrónica de barrido. Para la determinación de la actividad hidráulica de las distintas fracciones de escoria, se realizaron pastas con sustitución del 50% de cemento CEM I-52.5-R por cada una de las fracciones, y ensayándose por calorimetría de conducción isoterma. Mediante este ensayo se midió la evolución de la reacción de hidratación para cada caso. Los resultados fueron positivos, demostrando que la escoria más ultrafina (filtro) era capaz de reaccionar hidráulicamente aportando valores superiores de energía liberada que la mezcla control con solo cemento. Para evaluar el porcentaje de cemento que se puede reemplazar por escoria, se decidió realizar ensayos a compresión en morteros normalizados. Para este ensayo se utilizaron las escorias más ultrafinas así como la original, para poder analizar la diferencia. De los resultados se demostró que se puede sustituir hasta el 80 % del cemento por la escoria más ultrafina sin perder resistencia mecánica desde edades iniciales de curado. Con el fin de economizar el material, se decidió añadir un tercer componente a la mezcla conglomerante cemento-escoria. El material escogido en este caso fue de un Filler calizo, un material inerte cuyo efecto va a ser simplemente reemplazar parcialmente la escoria y el cemento. En este punto se diseñó una serie de mezclas conglomerantes, con distintas proporciones de cada uno de los componentes, para las escorias más ultrafinas así como para la original. Se obtuvo las resistencias a compresión a las edades de 3, 7 y 28 días en morteros normalizados. Los resultados demostraron que algunas de las mezclas con menor cantidad de cemento se obtenían resistencias a compresión a 28 días comparables a la de un mortero normalizado con solo cemento CEM I-42.5-N. Estas mezclas fueron seleccionadas para la realización de la siguiente parte del trabajo, los ensayos de durabilidad en morteros y prueba en hormigones. Los ensayos de durabilidad realizados fueron los de ataque químico por ácidos y ataque químico por sulfatos. En el ensayo de ataque químico por ácidos se analizó la pérdida de resistencia a compresión a distintas edades de exposición de los morteros al ácido. Se utilizaron dos ácidos, uno fuerte y uno débil, el ácido sulfúrico y el ácido acético respectivamente. Se encontraron resultados distintos, siendo las mezclas con mayor cantidad de cemento las que mejor resistencia a los ácidos tenían. En el ensayo de ataque químico por sulfatos se analizó la expansión de las probetas de mortero. Se utilizó una disolución de sulfato sódico como agente agresivo. Los resultados demuestran la efectividad de las escorias frente al ataque por sulfatos. Las mezclas con mayor cantidad en escoria ultrafina demostraron ser más resistentes a los sulfatos que las que contenían mayor cantidad de cemento. Estas mezclas demuestran ser efectivas tras los 2 años de inmersión en la disolución de sulfatos. Finalmente, las mismas mezclas utilizadas en los ensayos de durabilidad, fueron probadas en hormigones. Los hormigones fueron diseñados con el software ¿BetonlabPro 3¿, un simulador de hormigones que predice propiedades finales del hormigón. Los parámetros de diseño tenidos en cuenta fueron la trabajabilidad y la compactación. Se buscó la máxima compactación para una trabajabilidad aceptable. Los diferentes hormigones fueron ensayados a resistencia a compresión. Los resultados demuestran que para las mezclas donde se emplea la escoria ultrafina se obtienen resistencias mecánicas a los 28 días del mismo orden control con sólo cemento.

[EN] The existing necessity to try to produce more sustainable and respectful materials with environment has done that the cement, a material which its production has great environmental repercussions, tends partially to be replaced like construction material by other more sustainable materials. It is in this point where the research appears, trying to find materials that can provide properties similar to the cement reducing its disadvantages. In this work, it¿s shown a study about the viability of use an ultrafine ground granulated blast furnace slag as binder material and by this way to can replace part or almost the totality of cement, actual binder material most used in the world. To get this ultrafine ground granulated blast furnace slag has been necessary to treat, by a particle separation process, the original ground granulated blast furnace slag, as we received from the industry. This process of separation has consisted in: pass the slag with a air flow through a rotor that eliminates of the system the heaviest particles of this, then the more volatiles particles are sent to a cyclone, where its produce a second separation, and lastly the finest particles are recovery with a sleeve filter. It was used two different velocities of the rotor, 60 and 90 Hz, with an air flow rate of 1800 m3/h. From the separation process 3 fractions are obtained, that have been denominated: rejection, that is the fraction of particles heavier than they are eliminated by the rotor; cyclone, fraction of the intermediate particles that are eliminated by the cyclone; and filter, the fraction of the ultrafine particles that are those that recovers in the filter of sleeves. All the fractions have been analyzed by laser beams diffraction to determine the sizes particles distribution. The results demonstrate that the particles obtained with the filter have a high fineness, of up to 6 microns. In both speeds of motor the fractions obtained have similar fineness, being finest the ones obtained with high velocity in each point. All the fractions were characterized for a better knowledge of the material: real density, Blaine fineness, X-ray diffraction (DXR), X-ray fluorescence (FXR), and scanning electron microscope. For the determination of the slag hydraulic activity, pastes with 50% of cement (CEM I-52.5-R) replacement were made for all the fractions of the slag. Isothermal conduction calorimetric was used for this experiment. The hydration reaction evolution was observed for each case. The results were positive, demonstrating that the ultrafinest slag was able to give more energy released than the reference with only cement. To evaluate the percentage of cement that we can replace for slag, it was decided to do compressive strength tests with standardized mortars. In this case only was used the ultrafinest slag and the original, in order to see the difference. The results demonstrate that it¿s possible to replace 80% of cement with the ultrafinest slag without a loss of strength. With the purpose to save reactive material, it was decided to add to a third component to the binder mixture cement-slag. The material selected in this case was of a limestone Filler, an inert material whose effect is only to replace partially the slag and the cement. In this point several binder mixtures were designed, with different proportions from each one of the components, for the ultrafinest slags as well as for the original one. Compressive strength at the ages of 3, 7 and 28 days were tested in standardized mortars. The results demonstrated that some of the mixtures with smaller amount of cement obtained compressive strength at 28 days comparable to the one of a standardized mortar just made by cement CEM I-42.5-N. These mixtures were selected for the accomplishment of the following part of the work, the durability tests in mortars and concrete test. The tests of durability used in this work were those of chemical attack by acids and by sulphates. In the test of chemical attack by acids the loss of compressive strength at different ages of exposure to acid was analyzed in mortars. Two acids were used, the sulfuric acid and the acetic acid. Different results were found, being the mixtures with greater amount of cement those that better resistance to acids they had. In the test of chemical attack by sulphates the expansion of the mortar prims was analyzed. Sodium sulphate dissolution was used like chemical agent. The results demonstrate the effectiveness of to use slag against the attack by sulphates. The mixtures with greater amount in ultrafine slag demonstrated to be more resistant to the sulphates that those that contained greater amount of cement. These mixtures demonstrate to be effective after the 2 years of immersion in the sulphate dissolution. Finally, the same mixtures used in the durability tests were proven in concretes. The concretes were designed with software ¿BetonlabPro 3¿, a concrete simulator that predicts final properties of the concrete. The design parameters used to formulate the dose of the concretes were the workability and the compacity. The target of the design was to find the maximum value of compacity with and acceptable workability. The different concretes were test to compressive strength. The results demonstrate that for the mixtures where the ultrafine slag is used it¿s possible to get compressive strength at 28 days similar that those get with the reference concrete done with Portland cement.