Hormigón celular geopolimérico (hcg) aireado con aluminio reciclado: desarrollo y caracterización de un material de bajo coste económico y medioambiental

Abstract

[EN] Cellular Aerated Concrete (HCT, for its acronym in Spanish) is a Portland cement-based binder, which is added an inorganic reagent, generally aluminum powder. Metal aluminum is oxidized immediately when it comes in contact with mixing water and produces hydrogen. The result is a material which intern air-voids structure (trapped in fresh state) has been stabilized by autoclaving-accelerated treatment. It is a low-density material and acceptable mechanical strength that allows to reduce the loads in elements with low structural requirements. Besides, its cellular structure provides a high thermal insulation being the material of great interest to energy efficiency. In contrast, the production of this type of concrete requires large amount of Portland cement, which is characterized by its high CO2 emissions. Recent innovations have led to the development of geopolymer cement, which is a new carbon footprint friendly material (reduction of emissions of up to 80%). These are based on silicoaluminate mineral precursor, usually industrial wastes, activated by a high alkalinity solution, resulting stable cementitious matrix. This type of new binders represents an interesting alternative both environmentally and economically compared to Portland cement. A further negative angle is the high both economic and environmental impact involved in obtaining the commercial aluminum powder. Thus, arises the need to identify ecological alternatives. The treatment and use of residual metallic aluminum could be an interesting alternative. The aim of this research is to develop a new geopolymer cellular concrete (HCG, for its acronym in Spanish), based on both sustainable construction and circle economy. The study has been focused in two aspects: in the first of them, fluid catalytic cracking waste from petrol refineries (CT) and blast furnace slag (E), are used like raw materials (precursors) in geopolymeric binders; and in the second one, two types of aluminum wastes are used like aerating agents: aluminum foil (PA) and aluminum shavings from industrial carpentry (M). The first stage of the experimental procedure focused on determine the mixing methodology and the optimal components dosage to configure de geopolymer cellular concrete (HCG) mixtures. To this end, HCG based on fluid catalytic cracking waste (CT) binder has been prepared adding commercial aluminum powder for the aeration. Besides materials based on cement Portland (C) and blast furnace slag (E) have been prepared as reference aerated concretes. Then the use of different types of powdered aluminum like aerated agent has been compared (the commercial one and from aluminum wastes) into cellular aerated concrete (HCT) and geopolymer cellular concrete (HCG) mixtures. The following aspects have been studied: a) a prior milling process of recycled aluminum to an appropriate particle size to ensure the right conditions of aeration; and b) the effect of the alternative aluminum in the binder matrix by determining 7 days natural density and mechanical strength. The microstructure of samples has been studied by thermogravimetric analysis (TG) and scanning electron microscopy (SEM). Additionally, a new binder based on the fluid catalytic cracking (CT) and recycled aluminum joint milling is introduced. Thus a physic-chemical characterization has been carried out of the new powder material. Pastes with this binder have been prepared and the resulting geopolymeric cellular concrete, makes clear a marked improvement in

X performance of aluminum when compared with the results previously obtained by treating separately. The internal configuration of the cellular concrete is of utmost importance for development of its physical, mechanical and thermal properties. In line with this idea, a study has been carried out to provide a pore system characterization of the samples. To this end, scanning electron microscopy (SEM) has been supplemented by optical microscopy, water testing and computerized methods. The results show that the pore system configuration of the cellular geopolymeric concrete depends of two factors: a) the type of aluminum used; and b) the time in which the aluminum is added to the mixture. Throughout the experimental procedure the aeration reaction and expansion process of material has been controlled. Furthermore, a test method was designed for determining the hydrogen gas produced from the reaction between aluminum powder and alkaline medium. The different types of powder aluminum have been compared with this method. These aspects are crucial to test the effectiveness of the reagent used and very useful for making cellular concrete with a predetermined density. Lastly, in this thesis it has been established the environmental commitment of the new geopolymer cellular concrete. A carbon footprint has been calculated, focused on two areas: the life-cycle analysis of the starting materials and the concrete manufacturing process. In summary, one can conclude that the manufacture of geopolymeric cellular concretes (HCG) based on catalyst residue (CT) and blast furnace slag (E) is feasible and requires less aluminum powder than traditional concrete(HCT). It has been proved the replacement of the commercial aluminum powder by aluminum waste (aluminum foil or shavings), and the joint grinding of the residual aluminum with the precursor has very advantageous results. From the environmental viewpoint, it has been shown that these geopolymeric cellular concretes have a lower carbon footprint than traditional cellular concrete, both in relation to the raw materials and relative to the curing of concrete.

[ES] El hormigón celular tradicional (HCT) es un conglomerante a base de cemento portland, al que se adiciona un reactivo inorgánico, generalmente aluminio en polvo, que en contacto con el agua de amasado, se oxida liberando gas hidrógeno. El resultado es un material cuya configuración interna de microburbujas de aire, atrapadas en estado fresco, queda estabilizada tras un tratamiento de curado acelerado mediante autoclave. Se trata de un material de baja densidad y resistencia mecánica moderada, que permite reducir las cargas en elementos con poco requerimiento estructural. Además, su estructura alveolar le confiere propiedades aislantes, lo que resulta de gran interés desde el punto de vista de la eficiencia energética. Por contra, este tipo de hormigones requiere de elevadas cantidades de cemento portland, caracterizado por importantes emisiones de CO2 que resultan en la producción del Clinker. El término “geopolimérico” hace referencia al desarrollo de nuevos conglomerantes de activación alcalina, que permiten una reducción de la huella de carbono hasta niveles de un 80%. Se trata de precursores minerales procedentes, en algunos casos, de residuos industriales, que se activan mediante una disolución de elevada alcalinidad, resultando matrices cementantes estables. Este tipo de nuevos conglomerantes supone una alternativa de interés tanto desde el punto de vista medioambiental como económico frente al cemento portland. Por otra parte, el uso de polvo de aluminio comercial como reactivo inorgánico generador de burbujas también supone un elevado impacto económico y medioambiental, derivado de su proceso de obtención y tratamiento. Surge, así, la necesidad de proponer alternativas ecológicas, como es el tratamiento y uso de aluminio metálico residual. En el presente trabajo, se lleva a cabo el desarrollo de nuevos hormigones celulares geopoliméricos (HCG) en base a los conceptos de ecoeficiencia energética y sostenibilidad. Para ello, se emplea catalizador gastado del craqueo catalítico (CT) y escoria de alto horno (E), como materias primas en la elaboración de conglomerantes activados alcalinamente y, con el fin de generar la estructura celular de las matrices, se emplean dos tipos de residuo: a) papel de aluminio doméstico (PA); y b) virutas residuales de aluminio metálico procedente de procesos industriales (M). En primer lugar, se introduce el procedimiento correspondiente al diseño del material, determinación de la metodología de amasado y dosificación de los componentes. Para ello, se ha empleado aluminio comercial como aireante, y se ha elaborado materiales de referencia con cemento portland (C), residuo de catalizador (CT) y escoria de alto horno (E). Una vez solventados estos aspectos previos, se ha incorporado el aluminio reciclado en los sistemas celulares, tanto tradicional, como geopolimérico. Para ello ha sido necesario abordar los siguientes aspectos: a) idear un pretratamiento de molienda para que los residuos de aluminio tengan un tamaño adecuado para garantizar la reacción de aireación; y b) estudiar el efecto del aluminio alternativo en las matrices cementicias mediante la determinación de densidad natural y resistencia mecánica a la edad de 7 días. Adicionalmente, se ha estudiado la microestructura de las muestras, mediante termogravimetría (TG) y microscopía electrónica de barrido (SEM). A continuación, se ha procedido a la incorporación del aluminio reciclado en el proceso de molienda del catalizador gastado de craqueo catalítico. Se ha realizado una caracterización físico-química de la mezcla resultante y se ha incorporado como

VI materia prima compuesta en el proceso de amasado. El hormigón celular resultante, deja de manifiesto una notable mejoría en el rendimiento del aluminio, al compararlo con los resultados obtenidos mediante el pretratamiento de ambos residuos por separado. La configuración interna de los hormigones celulares resulta un aspecto de suma importancia para el desarrollo de sus propiedades, tanto físicas como mecánicas y térmicas. Es por ello que se ha llevado a cabo una meticulosa caracterización de la red porosa de las muestras, complementando ensayos hídricos con microscopia óptica, microscopía electrónica de barrido (SEM) y metodologías computerizadas. Los resultados evidencian las diferentes configuraciones de red porosa que pueden adquirir, en función de dos factores: a) la tipología de aluminio empleado; b) el momento en que el aluminio es adicionado a las mezclas. Durante todo el procedimiento experimental, se ha controlado la reacción de aireación y el proceso de expansión del material. Además, se ha ideado un método de ensayo para la medición indirecta de la generación de hidrógeno resultante del uso de los distintos tipos de aluminio estudiados. Estos aspectos son determinantes para comprobar la efectividad del reactivo empleado, así como de gran utilidad, para fabricar hormigones celulares con una densidad preestablecida. Para terminar, en esta tesina queda demostrado el compromiso medioambiental que se asume con el desarrollo de los nuevos conglomerantes celulares geopoliméricos (HCG), mediante el cálculo de la huella de carbono, asociada al análisis de su ciclo de vida, en el proceso de obtención de constituyentes y producción del hormigón. En resumen, se puede concluir que la fabricación de hormigones celulares geopoliméricos (HCG) basados en residuo de catalizador (CT) y de escoria de alto horno (E) es factible y que requiere menor cantidad de polvo de aluminio que los tradicionales (HCT). Se ha demostrado que es posible sustituir el polvo de aluminio comercial por residuos de aluminio (papel de alumino o virutas), y que la molienda conjunta del precursor con el aluminio residual presenta resultados muy ventajosos. Desde el punto de vista medioambiental, se ha demostrado que estos hormigones celulares geopoliméricos presentan una menor huella de carbono, tanto en relación con las materias primas como en relación con el curado de los hormigones.

[CA] El formigó cel·lular tradicional (HCT) és un conglomerant a base de ciment pòrtland, al que s’addiciona un reactiu inorgànic, generalment alumini en pols, que en contacte amb l'aigua de pastat, s’oxida lliurant gas hidrogen. El resultat és un material que presenta una configuració interna de microbombolles d'aire, atrapades en estat fresc, i que es queda estabilitzat després d’un tractament de guarit accelerat mitjançant autoclau. Es tracta d’un material de baixa densitat i resistència mecànica moderada, amb el que es poden reduir les càrregues dels elements amb poc requeriment estructural. A més, gràcies a l’estructura alveolar que presenta, té magnífiques propietats aïllants, que resulta de gran interès des del punt de vista de l’eficiència energètica. Per contra, aquest tipus de formigons requereix elevades quantitats de ciment pòrtland, caracteritzat per les importants emissions de CO2 que resulten en la producció del Clínquer. El terme “geopolimèric” s’associa amb el desenvolupament de nous conglomerants d’activació alcalina, que permeten una reducció de la petjada de carboni fins nivells d’un 80%. Es tracta de precursors minerals procedents, en alguns casos, de residus industrials, que s’activen mitjançant una dissolució d’elevada alcalinitat, resultant matrius cimentants estables. Aquest tipus de nous conglomerants suposa una mena d’alternativa d’interès mediambiental i econòmica front al ciment pòrtland. D’altra banda, l’ús d’alumini en pols comercial com a reactiu inorgànic formador de bombolles, suposa un elevat impacte tant econòmic com mediambiental, a causa del procés d’obtenció i tractament d’aquest metall. Sorgeix, així, la necessitat de proposar alternatives ecològiques, com pot ser el tractament i l’ús d’alumini metàl·lic residual. Al present treball, es du a terme el desenvolupament de nous formigons cel·lulars geopolimèrics (HCG) seguint els conceptes de ecoeficiencia energètica i sostenibilitat. Per tal cosa, s´utilitza el catalitzador gastat del craqueig catalític (CT) i la escòria d´alt forn (E), com a matèries primeres a l’elaboració de conglomerants activats alcalinament i, amb la finalitat de generar l’estructura cel·lular de les matrius, s’empren dos tipus de residus: a) paper d’alumini domèstic (PA) i encenalls d’alumini metàl·lic procedents de processos industrials (M). De primera banda, s’introdueix el procediment corresponent al disseny del material, determinació de la metodologia de pastat i dosificació dels components. Per tal cosa, s’ha emprat alumini comercial com agent generador de bombolles, i s’han fabricat materials de referència amb ciment pòrtland (C), catalitzador gastat (CT) i escòria d’alt forn (E). Una vegada solucionats aquests aspectes previs, s’ha incorporat l’alumini reciclat als sistemes cel·lulars, tant tradicionals com geopolimèrics. Per tal efecte, ha sigut necessari abordar els següents aspectes: a) dissenyar un pretractament de mòlta per tal que els residus d’alumini adquirisquen una mida adequada que assegure la reacció d’aireaciò; i b) estudiar l’efecte de l’alumini alternatiu a les matrius de conglomerant per mitjà de la determinació de densitat natural i resistència mecànica a l’edat de 7 dies. Addicionalment, s’ha estudiat la microestructura de les mostres, amb les tècniques de termogravimetria (TG) o microscòpia electrònica d’escombratge (SEM). A continuació, s’ha procedit a la incorporació de l’alumini reciclat en el procés de mòlta del catalitzador gastar de craqueig catalític. S’ha realitzat una caracterització fisicoquímica de la barreja i s’ha incorporat tot junt com a matèria primera composta en

VIII el procés de pastat. El formigó cel·lular resultant, demostra una notable millora del rendiment de l’alumini, al comparar-ho amb els resultats obtinguts mitjançant el pretractament dels residus per separat. La configuració interna dels formigons cel·lulars resulta un aspecte de summa importància per al desenvolupament de les propietats, tant físiques com mecàniques i tèrmiques que els caracteritzen. És per açò que s’ha dut a terme una meticulosa caracterització de la xarxa porosa de les mostres complementant assajos hídrics amb microscòpia òptica, microscòpia electrònica d’escombratge (SEM) i metodologies assistides per ordinador. Els resultats evidencien les diferents configuracions de xarxa porosa que es poden adquirir, en funció de dos factors: a) la tipologia d’alumini emprat; i b) el moment en què l’alumini és addicionat a les mescles. Durant tot el procediment experimental, s’ha controlat la reacció de generació de bombolles i el procés d’expansió del material. A més, s´ha ideat un mètode d’assaig per al mesurament indirecte de generació d’hidrogen resultant de la reacció dels diferents tipus d’alumini emprats. Aquests aspectes són determinants per a comprovar l’efectivitat del reactiu empleat, així com de gran utilitat per a fabricar formigons cel·lulars amb una densitat preestablida. Finalment, per tancar la tesina, queda demostrat el compromís mediambiental que s’assumeix amb el desenvolupament dels nous conglomerants cel·lulars geopolimèrics (HCG), mitjançant el càlcul de la petjada de carboni, associada a l’anàlisi del seu cicle de vida, en el procés d’obtenció dels constituents i producció del formigó. En resum, es pot concloure que la fabricació de formigons cel·lulars geopolimèrics (HCG) basats en residu de catalitzador (CT) i d'escòria d'alt forn (E) és factible i que requereix menor quantitat de pols d'alumini que els tradicionals (HCT) . S'ha demostrat que és possible substituir la pols d'alumini comercial per residus d'alumini (paper d'alumini o encenalls), i que la mòlta conjunta del precursor amb l'alumini residual presenta resultats molt avantatjosos. Des del punt de vista mediambiental, s'ha demostrat que aquests formigons cel·lulars geopolimèrics presenten una menor petjada de carboni, tant en relació amb les matèries primeres com en relació amb el curat dels formigons.