Evaluación de recursos secundarios como aditivos compensadores de la retracción del hormigón en masa

Abstract

[spa] La presente tesis doctoral surge a partir del proyecto de Doctorado Industrial (2019 DI 00089), llevado a cabo entre la empresa RIMSA Metal Technology S.L.(RIMSA) y el grupo de investigación Disseny i Optimització de Processos i Materials (DIOPMA) de la Universitat de Barcelona (UB), con financiación de l'Agencia de Gestió d'Ajuts Universitaris i de Recerca (AGAUR) de la Generalitat de Catalunya. Esta tesis se centra en la revalorización de residuos y/o subproductos industriales con la finalidad de compensar la retracción en los pavimentos de hormigón. La empresa RIMSA identificó la necesidad de elaborar pavimentos continuos, ya que este tipo de estructuras muestran una durabilidad mayor y requieren de menor mantenimiento en comparación a los pavimentos discontinuos, siempre y cuando se logre controlar adecuadamente los efectos de abombamiento generados por la retracción del hormigón. Por lo tanto, RIMSA muestra interés en desarrollar materiales aptos para la construcción, concretamente para el hormigón, que proporcione la capacidad de compensar la retracción sin modificar las exigencias requeridas para los pavimentos, y que el impacto ambiental de este material sea lo menor posible promoviendo, por lo tanto, la economía circular entre diferentes empresas. Esta tesis doctoral muestra el potencial de los residuos y/o subproductos industriales escogidos para desarrollar aditivos compensadores de retracción en hormigones. De esta manera, esta tesis se organiza en diferentes secciones siguiendo una linealidad contextual de las pruebas experimentales realizadas durante la tesis. De esta forma, se describe inicialmente la procedencia de los materiales escogidos y su problemática medioambiental. Además, de manera introductoria se presenta el estado del arte en relación a la química del cemento y las diferentes estrategias conocidas para evaluar la retracción de los materiales cementantes. La primera parte experimental de la investigación se centra en la procesabilidad del residuo procedente de la industria de reciclaje del vidrio, el CSP (Ceramic, Stone and Porcelain) mediante molturación con molino de bolas estableciendo las condiciones óptimas de tamaño de partícula y morfología que potencie la reactividad del material para poder ser utilizado como un aditivo compensador de retracción. Acompañado con una exhaustiva caracterización físico-química y de la morfología de los materiales procesados a partir del CSP y, del subproducto industrial basado en óxido de magnesio de baja ley (LG-MgO; Low-Grade MgO). Además, se realiza un estudio comparativo con productos comerciales que ya están designados como aditivos compensadores de la retracción en hormigones. Posteriormente se evalúa la reactividad y/o el efecto de estos materiales secundarios en las pastas de cemento con dos tipos de cementos diferentes: CEM I, cemento de alto contenido en clinker y CEM II, cemento generalmente utilizado en obras "in-situ" de hormigón. La finalidad es poder evaluar, por un lado, el

efecto de estos materiales en el cemento y, por otro lado, la obtención de propiedades mecánicas una vez endurecido. Pudiendo identificar consecuentemente qué residuos o mezclas de residuos muestran las mejores prestaciones, y ser comparados con los aditivos comerciales que se disponen. Finalmente, se desarrollan hormigones de designación de H25, con los diferentes materiales propuestos y mezcla de ellos, para evaluar los diferentes parámetros necesarios en obra, como la trabajabilidad, el grado de expansión o compensación de retracción y la obtención de propiedades mecánicas. Dando lugar a resultados relevantes en el campo del desarrollo de pavimentos de hormigón de retracción compensada. Esta tesis doctoral pretende proponer una alternativa de uso a unos recursos secundarios que, en algunos casos están destinados a vertederos. De esta forma, se busca seguir los estándares marcados por las Naciones Unidas en los Objetivos de Desarrollo Sostenible, en cuanto a criterios de sostenibilidad, medioambiente, y economía circular.

[cat] Aquesta tesi doctoral neix a partir del projecte de Doctorat Industrial (2019 I 00089), realitzat entre l'empresa RIMSA Metal Technology S.L. (RIMSA) i el grup de recerca Disseny i Optimització de Processos i Materials (DIOPMA) de la Universitat de Barcelona (UB), amb financament de l'Agencia de Gestió d'Ajuts Universitaris i de Recerca (AGAUR) de la Generalitat de Catalunya. Aquesta tesi es centra en la revalorització de residus i/o subproductes industrials amb la finalitat de compensar la retracció en els paviments de formigó. L'empresa RIMSA va identificar la necessitat d'elaborar paviments continus, ja que aquest tipus d'estructures mostren una major durabilitat i requereixen menys manteniment en comparació als paviments discontinus, sempre que s'aconsegueixi controlar adequadament els efectes de bombament generats per la retracció del formigó. Per tant, RIMSA mostra interes en desenvolupar materials aptes per a la construcció, concretament per al formigó, que proporcionin la capacitat de compensar la retracció sense modificar les exigencies requerides per als paviments, i que l'impacte ambiental d'aquest material sigui el mes baix possible, promovent així l'economia circular entre diferents empreses. Aquesta tesi doctoral mostra el potencial dels residus i/o subproductes industrials escollits per desenvolupar additius compensadors de retracció en formigons. D'aquesta manera, aquesta tesi s'organitza en diferents seccions seguint una linealitat contextual de les proves experimentals realitzades durant la tesi. D'aquesta forma, es descriu inicialment la procedencia dels materials escollits i la seva problematica mediambiental. A mes, de manera introductoria, es presenta l'estat de l'art en relació amb la química del ciment i les diferents estrategies conegudes per avaluar la retracció dels materials cimentants. La primera part experimental de la investigació es centra en la processabilitat del residu procedent de la indústria de reciclatge de vidre, el CSP (Ceramic, Stone and Porcelain) mitjancant molta amb molí de boles establint les condicions optimes de mida de partícula i morfologia que potenciin la reactivitat del material per poder ser utilitzat com a additiu compensador de retracció. Acompanyat d'una exhaustiva caracterització físicoquímica i de la morfologia dels materials processats a partir del CSP i del subproducte industrial basat en oxid de magnesi de baix grau (LG-MgO; Low-Grade MgO). A mes, es realitza un estudi comparatiu amb productes comercials que ja estan designats com a additius compensadors de la retracció en formigons. Posteriorment, s'avalua la reactivitat i/o l'efecte d'aquests materials secundaris en les pastes de ciment amb dos tipus de ciments diferents: CEM I, ciment d'alt contingut en clínquer, i CEM II, ciment generalment utilitzat en obres "in-situ" de formigó. La finalitat es poder avaluar, d'una banda, l'efecte d'aquests

materials en el ciment i, de l'altra banda, l'obtenció de propietats mecaniques un cop endurit. Podent identificar conseqüentment quins residus o barreges de residus mostren les millors prestacions, i ser comparats amb els additius comercials que es disposen. Finalment, es desenvolupen formigons de designació H25, amb els diferents materials proposats i barreges d'ells, per avaluar els diferents parametres necessaris en obra, com la treballabilitat, el grau d'expansió o compensació de retracció i l'obtenció de propietats mecaniques. Aixo dóna lloc a resultats rellevants en el camp del desenvolupament de paviments de formigó de retracció compensada. Aquesta tesi doctoral preten proposar una alternativa d'ús a uns recursos secundaris que, en alguns casos, estan destinats a abocadors. D'aquesta forma, es busca seguir els estandards marcats per les Nacions Unides en els Objectius de Desenvolupament Sostenible, en quant a criteris de sostenibilitat, mediambient i economia circular.

[eng] This doctoral thesis arises from the Industrial Doctorate Project (2019 DI 00089), carried out between the company RIMSA Metal Technology S.L. (RIMSA) and the research group Disseny i Optimització de Processos i Materials (DIOPMA) of the University of Barcelona (UB), with funding from the Agency for Management of University and Research Grants (AGAUR) of the Generalitat de Catalunya. This thesis focuses on the revalorisation of industrial waste and/or by-products with the aim of developing shrinkage-compensated pavements based on concrete. RIMSA identified the need to develop continuous pavements, as these types of structures exhibit greater durability and require less maintenance compared to discontinuous pavements. This is possible when the effects of swelling caused by concrete shrinkage are properly controlled. Therefore, RIMSA is interested in developing materials for construction, specifically concrete, that can compensate shrinkage without altering the required specifications for pavements, while minimising the environmental impact of these materials, thus promoting the circular economy among different companies. This doctoral thesis demonstrates the potential of the selected industrial waste and/or by-products to develop shrinkage-compensating additives in concretes. The thesis is organised into different sections, following a contextual linearity of the experimental tests carried out throughout the research. Initially, the origin of the selected materials and their environmental issues are described. Furthermore, an introductory review of the state of the art is presented, focusing on cement chemistry and the different well-known strategies for evaluating shrinkage in cementitious materials. The first experimental part of the research focuses on the processability of the waste from the glass recycling industry, CSP (Ceramic, Stone and Porcelain), through ball milling, establishing the optimal particle size and morphology conditions that enhance the reactivity of the material so it can be used as a shrinkage-compensating additive. This is accompanied by an exhaustive physical- chemical and morphological characterisation of the materials processed from CSP and the low-grade magnesium oxide industrial by-product (LG-MgO; Low-Grade MgO). Both are compared with commercial products already classified as shrinkage-compensating additives in concrete. Subsequently, the reactivity and/or effect of these secondary materials are evaluated in cement pastes with two different types of cement, CEM I (high clinker content cement) and CEM II (cement generally used for "in-situ" concrete applications). The aim is to evaluate, on the one hand, the effect of these materials on the cement matrix, and on the other hand, the mechanical properties obtained once hardened. Consequently, it is possible to identify which waste or mixtures exhibit the best performance, and to compare them with the commercially available shrinkage-compensating additives.

Finally, H25 concretes are developed using the different materials to evaluate the various parameters required for construction, such as workability, expansion or shrinkage compensation, and the attainment of mechanical properties. The results lead to relevant findings in the field of the development of shrinkage-compensated concrete pavements. This doctoral thesis aims to propose an alternative use for secondary resources that, in some cases, are destined for landfills. In this way, it seeks to follow the standards set by the United Nations in the Sustainable Development Goals, in terms of sustainability, environmental protection, and the circular economy.