Reutilización de residuos de construcción en la fabricación de conglomerantes de activación alcalina

Abstract

[EN] The building industry generates a large amount of waste that directly affects the environment, starting from the construction process up until the end of the useful life of the buildings. Construction processes involve the use of large quantities of building materials, including ordinary Portland cement (OPC). This is the most produced material worldwide and during its manufacturing process greenhouse gases are emitted, including especially high emissions of CO2. Another factor which affects the environment throughout the life cycle of a building is the generation of large volumes of waste from construction and demolition (C&D).

From these environmental problems, scientists and the cement industry are exploring ways to reduce emissions of CO2 and they are also assessing the reuse and exploitation of solid waste from different industries and of course, from construction industry. Thus, a possible alternative route is headed towards the partial replacement of OPC by waste or the use of other types of binders such as geopolymers or alkali-activated binders.

In the research carried out, simulated demolition waste from carbonated hydrated cement (from cement CEM I) in the laboratory is described. This mixture contains vitreous silica and and vitreous alumina among other compounds; to do this a process of accelerated carbonation was carried out, saturating the residue with CO2 in two types of environments; a dry environment and the other was a cold aqueous médium.

In addition, the Magallanes HCC was combined with other materials in order to evaluate the influence of various fine substances that are present in construction and demolition waste, such as gypsum. The mechanical resistance values of the alkaliactivated Magallanes HCC were not very high, so a research line was successfully developed from mixtures with blast furnace slag and calcium aluminate cement (CAC). These systems have shown excellent resistance against sulphate attack and freeze-thaw cycles with better performances observed in Portland cement systems.

Similarly, other alkali-activated precursors were obtained from the hydration and carbonation of type cements CEM III/A, CEM IV/A and calcium aluminate cement, these precursors were identified as Mag3, Mag4 and Atacama CAC. The physical-chemical characterization of the precursors was carried out and pastes and mortars were produced with these new alkali-activated precursors.

Similarly, the physical-chemical characteristics of a real fine fraction of construction and demolition waste (C&D) from a recycling plant were determined. Their pozzolanic behavior was determined, alkali-activated mortars were produced using C&D, and by substituting with slag; the mechanical viability of the mortars was demonstrated, as was their durability.

In order to investigate the carbon footprint of the new precursors, the balance (emission and fixation) of the amount of CO2 produced during the manufacture of the Magallanes HCC, Mag3, Mag4 and Atacama CAC was studied. CO2 emissions from the manufacturing process of geopolymer mortars were also evaluated. The data showed that the precursors have a much lower impact than Portland cement.

All these results demonstrate that the materials from hydrated cement-waste are suitable to be re-used as precursors in alkali-activated binders when they have undergone an additional carbonation process, which involves a significant amount of fixed CO2. They can therefore be used as a new building material.

[ES] La industria de la construcción es una gran generadora de residuos que impacta de forma directa al medio ambiente, desde el proceso de construcción hasta el fin de la vida útil de las estructuras. Los procesos constructivos involucran el uso de grandes cantidades de materiales de construcción, entre ellos el cemento Portland (OPC). Este material es el de mayor producción a nivel mundial y durante su proceso de fabricación se emiten gases de efecto invernadero, especialmente elevadas emisiones de CO2. Otro de los factores que afectan el medio ambiente durante todo el ciclo de vida de una estructura de construcción es la generación de grandes volúmenes de residuos de construcción y demolición (RCD). A partir de estos problemas ambientales, los científicos y la industria del cemento están estudiando la forma de disminuir las emisiones de CO2, y además, están valorando la reutilización y aprovechamiento de los residuos sólidos, provenientes de los distintos sectores industriales y, por supuesto, de la construcción. Así, una posible vía alternativa está encaminada hacia la sustitución parcial del OPC por residuos o el uso de otros tipos de conglomerantes como los geopolímeros o conglomerantes de activación alcalina. En la investigación realizada se presenta el estudio que simula en laboratorio un residuo de demolición a partir del cemento hidratado y carbonatado (a partir de cemento tipo CEM I), el cual contiene, entre otros compuestos, sílice y alúmina vítreas; para ello se realizó un proceso de carbonatación acelerada, saturando al residuo con CO2 en dos tipos de ambientes; un ambiente seco y el otro un medio acuoso y frío. Adicionalmente, el CHC Magallanes se combinó con otros materiales, con el fin de evaluar la influencia de diversas sustancias finas que se encuentran presentes en los residuos de construcción y demolición, como es el caso del yeso. En ese caso los valores de resistencia mecánica del CHC Magallanes activado alcalinamente no fueron muy elevados, por lo que se desarrolló con éxito una línea de trabajo a partir de mezclas con escoria y cemento de aluminato de calcio (CAC). Estos sistemas binarios con CHC Magallanes han presentado unos excelentes comportamientos frente al ataque por sulfatos y a los ciclos hielo-deshielo, con unas prestaciones superiores a los sistemas con cemento Portland.

Similarmente, se procedió a la obtención de otros precursores de activación alcalina a partir de la hidratación y carbonatación de los cementos tipo CEM III/A, CEM IV/A y cemento de aluminato cálcico, los cuales se identificarán como Mag3, Mag4 y CAC Atacama. Se llevó a cabo su caracterización físico - química y se fabricaron pastas y morteros con estos nuevos precursores de activación alcalina.

Análogamente, se procedió a determinar las características físico - químicas de una fracción fina real de un RCD proveniente de una planta de reciclaje. Se determinó su comportamiento puzolánico, y se fabricaron morteros de activación alcalina usando RCD y con sustitución de escoria; se demostró la viabilidad de los morteros, tanto desde el punto de vista mecánico como de durabilidad.

Con el fin de conocer la huella de carbono de los nuevos precursores, se procedió a estudiar el balance (emisión y fijación) de CO2 producido en la fabricación de cada uno de los materiales CHC Magallanes, Mag3, Mag4 y CAC Atacama y las emisiones de (CO2) resultantes en el proceso de fabricación de los morteros geopoliméricos. Los datos demostraron que los precursores tienen un impacto mucho menor que el cemento Portland.

Todos estos resultados demuestran que los materiales proveniente de residuos relacionados con cemento hidratado, tras un proceso adicional de carbonatación, lo cual supone una cantidad significativa de CO2 fijado, poseen características adecuadas para ser reutilizados como precursores en conglomerantes activados alcalinamente, y por ende se pueden utilizar como un

[CA] La indústria de la construcció és una gran generadora de residus que impacta de forma directa al medi ambient, des del procés de construcció fins a la fi de la vida útil de les estructures. Els processos constructius suposen l'ús de grans quantitats de materials de construcció, entre els quals es troba el ciment Portland (OPC). Aquest material és el de major producció a nivel mundial i durant el seu procés de fabricació s'emeten gasos d'efecte hivernacle, especialmente elevades emissions de CO2. Altre dels factors que afecta el medi ambient durant tot el cicle de vida d'una estructura de construcció és la generació de grans volums de residus de construcción i demolició (RCD).

A partir d'aquests problemes ambientals, els científics i la indústria del ciment estan estudiant la forma de disminuir les emissions de CO2, i a més, estan valorant la reutilització i aprofitament dels residus sòlids, provinents dels diferents sectors industrials i, per descomptat, de la pròpia construcció. Així, una possible via alternativa està encaminada cap a la substitució parcial del OPC per residus o l'us de conglomerants alternatius com els geopolímers o conglomerants d'activació alcalina.

A la investigació realitzada es presenta l'estudi que simula en laboratori un residu de demolició a partir del ciment hidratat i carbonatat (a partir del ciment CEM I), el qual conté, entre altres compostos, sílice i alúmina vítries; per açò es va realitzar un procés de carbonatació accelerada, saturant al residu amb CO2 en dos tipus d'ambients; un ambient sec i altre ambient aquós i fred amb.

Addicionalment, el CHC Magallanes es va combinar amb altres materials, amb la finalitat d'avaluar la influència de diverses substàncies fines que es troben presents en els residus de construcció i demolició, com és el cas del guix. En aquest cas els valors de resistència mecànica del CHC Magallanes activat alcalinament no van ser molt elevats, per la qual cosa es va desenvolupar amb èxit una línia de treball a partir de mescles amb escòria d'alt forn i ciment d'aluminat de calci (CAC). Aquests sistemes binaris amb CHC Magallanes han presentat uns excel.lents comportaments front l'atac per sulfats i als cicles de gel - desgel, amb unes prestacions elevades respecte dels sistemes amb ciment Portland.

Similarment, es va procedir a l'obtenció d'altres precursors d'activació alcalina a partir de la hidratació i carbonatació dels ciments tipus CEM III/A), CEM IV/A i ciment d'aluminat càlcic, els quals s'identificaran com Mag3, Mag4 i CAC Atacama. Es va dur a terme la seua caracterització fisicoquímica i es van fabricar pastes i morters amb aquests nous precursors d'activació alcalina.

Anàlogament, es va procedir a determinar les característiques fisicoquímiques d'una fracció fina real d'un residu de construcció i demolició (RCD) provinent d'una planta de reciclatge. Es va determinar el seu comportament putzolànic, i es van fabricar morters d'activació alcalina de RCD amb substitució parcial d'escòria; va quedar demostrada la viabilitat dels morters, tant des del punt de vista mecànic com de la durabilitat.

Amb la finalitat de conèixer la petjada de carboni dels nous precursors, es va procedir a estudiar el balanç (emissió i fixació) de CO2 produït en la fabricació de cadascun dels materials CHC Magallanes, Mag3, Mag4 i CAC Atacama i les emissions de (CO2) resultants del procés de fabricació dels morters geopolimèrics. Les dades van demostrar que els precursors tenen un impacte molt menor que el ciment Portland.

Tots aquests resultats demostren que els materials provinents de residus relacionats amb ciment hidratat, després d'un procés addicional de carbonatació, la qual cosa suposa una quantitat significativa de CO2 fixat, posseeixen característiques adequades per poder ser reutilitzats com a precursors en conglomerants activats alcalinament, i per tant es pot utilizar com un nou material