Valorización de los residuos de construcción y demolición (RCD) como puzolanas alternativas en la fabricación de cementos eco-eficientes [1 ed.] 840010367X, 9788400103675

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MONOGRAFÍAS DEL IETcc

MONOGRAFÍAS DEL IETcc N.º 427

415. Francisca Puertas Maroto, María del Mar Alonso López y Marta Palacios Arévalo, Aditivos para el hormigón: compatibilidad cemento-aditivos basados en policarboxilatos, 2009. 416. Olga Rodríguez Largo et al., Nuevos materiales puzolánicos a partir de un residuo papelero para la industria del cemento, 2010. 417. Irene García-Díaz y Francisca Puertas Maroto, Empleo de residuos cerámicos como materia prima alternativa en la fabricación de cemento Pórtland, 2011. 418. María Isabel Sánchez de Rojas Gómez, Javier Olmeda Montolío y Moisés Frías Rojas, Morteros especiales con propiedades termo-aislantes usando coque de petróleo como árido ligero, 2013. 419. Francisca Puertas Maroto et al., Proceso de deterioro por descalcificación del cemento: estudio comparativo de cementos de diferente composición, 2013. 420. Ana María Guerrero Bustos, Valorización de cenizas mediante tratamiento hidrotermal para su aplicación en materiales de construcción, 2014. 421. María Inés Pernas Alonso, Escalera monástica en Galicia. Escaleras de rampas al aire: análisis gráfico, 2015. 422. César Medina Martínez, María Isabel Sánchez de Rojas Gómez y Moisés Frías Rojas, Valorización de árido cerámico de sanitarios como árido reciclado en la fabricación de hormigones estructurales eco-eficientes, 2015. 423. Samuel Domínguez Amarillo, Juan José Sendra Salas e Ignacio Oteiza Sanjosé, La envolvente térmica de la vivienda social: el caso de Sevilla, 1939 a 1979, 2016 (serie Arquitectura, 1). 424. Pablo de la Fuente Martín y Carlos Zanuy Sánchez, Fundamentos para el cálculo de estructuras prismáticas planas, 2017. 425. David Revuelta Crespo, Pedro Carballosa de Miguel y José Luis García Calvo, Guía para el empleo de hormigones expansivos, 2017.

En la actualidad, los residuos de construcción y demolición (RCD) constituyen un problema social, técnico y medioambiental debido al gran volumen de residuos generados anualmente y a sus limitadas aplicaciones hoy en día. Su gestión tiene lugar en las plantas de reciclado de RCD, donde, después de diferentes etapas de separación y de procesos de trituración, se obtienen fundamentalmente dos tipos de fracciones: un residuo limpio de hormigón y un residuo mixto cerámico, los cuales se emplean principalmente en aplicaciones técnicas como relleno, material de drenaje, base o sub-base de carreteras, o como árido reciclado en la fabricación de hormigones más sostenibles. Debido al gran flujo de este tipo de residuos (RCD), a la necesidad de mejorar las tasas de reciclaje que presentan y considerando investigaciones previas, se plantea una nueva aplicación para los RCD: puzolanas alternativas para cementos ecoeficientes. La incorporación de dichos materiales al cemento debe ofrecer ventajas tecnológicas en comparación con los cementos comerciales tradicionales, así como una mejora en las condiciones ambientales y sociales. Los nuevos cementos cumplen con la normativa europea vigente y mejoran la durabilidad de los cementos en comparación con el cemento sin adición. Los buenos resultados obtenidos han permitido el desarrollo de una patente: «Residuo cerámico útil para la elaboración de cementos, procedimiento de obtención y cementos que lo comprende» (ES2512065).

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS EN LA FABRICACIÓN DE CEMENTOS ECO-EFICIENTES Eloy Asensio (coord.) César Medina, Moisés Frías y María Isabel Sánchez de Rojas

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS EN LA FABRICACIÓN DE CEMENTOS ECO-EFICIENTES

414. Elvira Sabador Azorín et al., Estudios morfológicos y microestructurales en morteros elaborados con productos secundarios de refino de petróleo, 2009.

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ÚLTIMOS TÍTULOS PUBLICADOS

Es doctor en Química por la Universidad Complutense de Madrid desde septiembre de 2015 y en la actualidad desarrolla su actividad científica en el Grupo de Reciclado de Materiales, perteneciente al Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC). Su investigación se centra en el reciclado y valorización de residuos y subproductos industriales para su empleo como puzolanas en la fabricación de cementos y hormigones más sostenibles, y está especialmente enfocada en los aspectos científicos, técnicos y medioambientales, como la cinética de reacción, la hidratación de fases, la microestructura, el comportamiento mecánico y la durabilidad de las nuevas matrices cementantes.

César Medina Es doctor ingeniero agrónomo por la Universidad de León. Actualmente desarrolla su labor investigadora en la Escuela Politécnica de Cáceres (Universidad de Extremadura) y es responsable del Grupo de Materiales de la Construcción, Ingeniería del Terreno y Ambiental (MATERIA). Su labor investigadora se desarrolla en torno a materiales de construcción en el ámbito de la ingeniería civil, especialmente en la reutilización de residuos industriales desde una doble perspectiva: como árido en la fabricación de hormigones reciclados o como adición activa en cementos.

Moisés Frías Rojas Es doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Autónoma de Madrid y desarrolla su actividad como investigador científico en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC). Con experiencia laboral en la valorización de subproductos y residuos industriales para la fabricación de cementos y hormigones ecoeficientes y sostenibles, ha publicado más de ciento sesenta artículos en revistas JCR y ha participado activamente en congresos internacionales, patentes, contratos con empresas, así como en el desarrollo de varios acuerdos marco de colaboración con instituciones extranjeras. Galardonado con dos premios de investigación (de AENOR y de la Academia de Ciencias de Cuba), es en la actualidad corresponsable del Grupo de Investigación Reciclado de Materiales.

María Isabel Sánchez de Rojas Gómez Es doctora en Ciencias Químicas por la Universidad Autónoma de Madrid y desempeña su labor como investigadora científica del CSIC en el Grupo de Investigación de Reciclado de Materiales del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, del que es corresponsable. Ha publicado trabajos de investigación en revistas y congresos de prestigio internacional y ha dirigido varias tesis doctorales. Vocal de distintos comités de certificación de AENOR y de normalización UNE, es responsable de dos unidades asociadas con la Escuela de Arquitectura de Madrid y con la Universidad de Extremadura (SOSMAT). Es, a su vez, miembro de la unidad asociada con la Universidad Autónoma de Madrid.

426. Eloy Velasco Gómez y Jon Zubiaurre Sasia (coords.), Forjados activos para edificios eficientes, 2018.

CSIC

Eloy Asensio

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

Imagen de cubierta: planta de gestión de residuos de construcción y demolición. Allied Recycled Aggregates (ARA), Comerce City (Colorado-EE.UU.) (fotografía de Eloy Asensio).

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS EN LA FABRICACIÓN DE CEMENTOS ECO-EFICIENTES

MONOGRAFÍAS DEL IETcc, N.º 427

Dirección Ángel Castillo Talavera, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Secretaría Ángela Sorli Rojo, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Comité Editorial Luis Albajar Molero, Universidad Politécnica de Madrid María del Carmen Andrade Perdrix, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Moisés Frías Rojas, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Pedro Garcés Terradillos, Universidad de Alicante Ángel Leiro López, CEDEX Amparo Moragues Terrades, Universidad Politécnica de Madrid Manuel Olaya Álvarez, Universidad Politécnica de Madrid Consejo Asesor Antonio Almagro Gorbea, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Rigoberto Burgueño, Michigan State University, EE. UU. Alicia Castro Lozano, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Adelaida Esteve Campillo, Ministerio de Fomento Ana María Fernández Jiménez, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Luis Fernández Luco, Universidad de Buenos Aires, Argentina Antón García-Abril, Woodbury University San Diego, EE. UU. Ana María Guerrero Bustos, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Aurora López Delgado, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Cecilio López Hombrados, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Antoni Marí Bernat, Universitat Politècnica de Catalunya Beatriz Martín Pérez, University of Ottawa, Canadá María del Sagrario Martínez Ramírez, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Isabel Martínez Sierra, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC César Medina Martínez, Universidad de Extremadura Eugenio Oñate Ibáñez de Navarra, Universitat Politècnica de Catalunya Gloria Pérez Álvarez Quiñones, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Antonio Porro Garat, Tecnalia Research and Innovation Julián Rivera Lozano, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Gonzalo Ruiz López, Universidad de Castilla-La Mancha Julián Salas Serrano, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Javier Sánchez Montero, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC María Isabel Sánchez de Rojas Gómez, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Holmer Savastano Junior, Universidade de São Paulo, Brasil Peter Tanner, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS EN LA FABRICACIÓN DE CEMENTOS ECO-EFICIENTES

Eloy Asensio (coord.) César Medina Moisés Frías María Isabel Sánchez de Rojas

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS Madrid, 2018

Reservados todos los derechos por la legislación en materia de Propiedad Intelectual. Ni la totalidad ni parte de este libro, incluido el diseño de la cubierta, puede reproducirse, almacenarse o transmitirse en manera alguna por medio ya sea electrónico, químico, óptico, informático, de grabación o de fotocopia, sin permiso previo por escrito de la editorial. Las noticias, los asertos y las opiniones contenidos en esta obra son de la exclusiva responsabilidad del autor o autores. La editorial, por su parte, solo se hace responsable del interés científico de sus publicaciones. Publicación incluida en el programa editorial del suprimido Ministerio de Economía, Industria y Competitividad y editada por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (de acuerdo con la reestructuración ministerial establecida por Real Decreto 355/2018, de 6 de junio). Catálogo general de publicaciones oficiales: http://publicacionesoficiales.boe.es Editorial CSIC: http://editorial.csic.es (correo: [email protected])

© CSIC © Eloy Asensio de Lucas (coord.), César Medina, Moisés Frías y María Isabel Sánchez de Rojas © De las ilustraciones, los autores

ISBN: 978-84-00-10367-5 e-ISBN: 978-84-00-10368-2 NIPO: 059-18-097-6 e-NIPO: 059-18-098-1 Depósito Legal: M-28315-2018 Maquetación, impresión y encuadernación: Rotaclick Impreso en España. Printed in Spain

En esta edición se ha utilizado papel ecológico sometido a un proceso de blanqueado ECF, cuya fibra procede de bosques gestionados de forma sostenible.

ÍNDICE

Agradecimientos .......................................................................................................................................

9

Presentación .............................................................................................................................................

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1.

Introducción ...................................................................................................................................... 1.1. Residuos de construcción y demolición..................................................................................... 1.2. Aplicaciones actuales de los RCD .............................................................................................. 1.2.1. Los RCD en usos no ligados ............................................................................................ 1.2.2. Los RCD en usos ligados ................................................................................................. 1.3. Industria cementera ................................................................................................................... 1.4. Puzolanas.................................................................................................................................... 1.4.1. Clasificación de las puzolanas .........................................................................................

13 13 15 15 15 16 18 19

2.

Objetivos .........................................................................................................................................

21

3.

Parte experimental ............................................................................................................................ 3.1. Técnicas instrumentales ............................................................................................................ 3.1.1. Difracción de rayos X (DRX)........................................................................................... 3.1.2. Fluorescencia de rayos X (FRX)...................................................................................... 3.1.3. Microscopía electrónica de barrido (SEM/BSE) y análisis por energías dispersivas (EDX) ............................................................................................................ 3.1.4. Análisis térmico diferencial (ATD/TG)........................................................................... 3.1.5. Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR)................................... 3.1.6. Porosimetría por intrusión de mercurio ......................................................................... 3.2. Metodologías de ensayo ............................................................................................................. 3.2.1. Disolución saturada de cal (DSC) ................................................................................... 3.2.2. Metodología Köch-Steinegger ......................................................................................... 3.2.3. Metodologías normalizadas ............................................................................................

23 23 23 23 23 23 23 23 24 24 24 25

Resultados y discusión ...................................................................................................................... 4.1. Estudio de la gestión de las plantas de reciclaje ........................................................................ 4.1.1. Entrada de RCD en la planta ........................................................................................... 4.1.2. Acopio del residuo ........................................................................................................... 4.1.3. Separación de los materiales ........................................................................................... 4.1.4. Productos finales ............................................................................................................. 4.2. Selección de RCD ....................................................................................................................... 4.3. Caracterización inicial de los RCD ............................................................................................. 4.3.1. Composición química ...................................................................................................... 4.3.2. Composición mineralógica .............................................................................................. 4.3.3. Estudio de actividad puzolánica...................................................................................... 4.4. Influencia del contenido de material cerámico en los RCD ......................................................

27 27 27 27 28 30 31 31 31 32 33 33

4.

4.4.1. Composición química y mineralógica ............................................................................. 4.4.2. Estudio morfológico ........................................................................................................ 4.4.3. Actividad puzolánica ....................................................................................................... 4.5. Realización de mezclas con cemento ......................................................................................... 4.6. Comportamiento de los cementos diseñados según la normativa europea vigente ................. 4.6.1. Composición y designación de los nuevos cementos...................................................... 4.6.2. Requisitos químicos ........................................................................................................ 4.6.3. Requisitos físicos y mecánicos ........................................................................................ 4.7. Durabilidad de los cementos diseñados frente al ataque por sulfatos ...................................... 4.7.1. Análisis por DRX ............................................................................................................. 4.7.2. Análisis por ATD ............................................................................................................. 4.7.3. Análisis por FT-IR ........................................................................................................... 4.7.4. Estudio de las pastas de cemento por SEM .................................................................... 4.7.5. Cambios en las probetas con el tiempo de inmersión .................................................... 4.7.6. Porosidad ......................................................................................................................... 4.7.7. Resistencia a los sulfatos ................................................................................................. 4.8. Desarrollo de patente ................................................................................................................. 4.8.1. Aspectos innovadores y ventajas de la patente desarrollada .........................................

34 35 36 37 38 38 38 41 46 46 47 47 48 49 51 52 53 54

5.

Conclusiones......................................................................................................................................

55

6.

Bibliografía ........................................................................................................................................

57

AGRADECIMIENTOS El presente trabajo de investigación ha podido llevarse a cabo gracias a la beca concedida por el antiguo Ministerio de Ciencia e Innovación para la formación del personal investigador (FPI) y a los proyectos nacionales de investigación finan-

ciados por el Ministerio de Ciencia e Innovación (BIA2010-21194-C03-01) y el Ministerio de Economía y Competitividad (BIA2013-48876-C3-2-R y BIA 2016-76643-C3-1-R). La ejecución del mismo ha tenido lugar principalmente en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

PRESENTACIÓN La generación de residuos se incrementa según avanza el desarrollo tecnológico de las sociedades. Sin embargo, este progreso también repercute de forma positiva en la gestión y reutilización de los residuos, de forma que se busquen aplicaciones concretas al uso de los mismos. En la actualidad, los residuos de construcción y demolición (RCD) constituyen un problema social, técnico y medioambiental debido, por un lado, al gran volumen de residuos generados anualmente, y por otro, a las limitadas aplicaciones que tienen hoy en día. Su gestión tiene lugar en las plantas de reciclado de RCD en las que, al final de diferentes etapas de separación y procesos de trituración, se obtienen de forma mayoritaria dos tipos de fracciones: un residuo limpio de hormigón y un residuo mixto cerámico que actualmente se emplean principalmente en aplicaciones técnicas como relleno, material de drenaje, base o sub-base de carreteras o como árido reciclado en la fabricación de hormigones más sostenibles. Debido al gran flujo de residuos que suponen los RCD, la necesidad de mejorar las tasas de reciclaje que presentan y considerando investigaciones previas, donde los desechos cerámicos se emplearon como adiciones puzolánicas con excelentes resultados, se plantea una nueva aplicación para los RCD: puzolanas alternativas para cementos eco-eficientes.

flujos intermitentes y poco homogéneos de residuos y a las diferentes necesidades del mercado. Dicha diversidad hace necesario un acondicionamiento previo de los residuos, consistente en un proceso de secado y molienda para la obtención de finuras adecuadas para su incorporación al cemento. Todos los RCD analizados presentaban composiciones químicas y mineralógicas así como actividad puzolánica similares y comparables a otros residuos o subproductos industriales actualmente empleados como adiciones activas en el cemento (humo de sílice y ceniza volante). En relación a la incorporación de RCD a la matriz de cemento, es posible destacar que, una vez conocidas las características y propiedades de los RCD, se llevó a cabo el diseño de nuevos cementos eco-eficientes e innovadores basados en la incorporación de dos RCD (W-04 y W-07) en proporciones de sustitución del cemento del 0, 10, 20 y 30%. Estos se eligieron por presentar diferentes contenidos de material cerámico. Todos los cementos diseñados con estos RCD cumplen con la normativa europea vigente en relación a las propiedades físicas, químicas y comportamiento mecánico. Además, la incorporación de RCD mejora la durabilidad de los cementos en comparación con el cemento sin adición cuando estos se exponen a disoluciones de sulfato sódico. Tras el análisis de los resultados, se pueden extraer las siguientes conclusiones finales:

El objetivo principal es el diseño de nuevos cementos eco-eficientes a partir de la valorización de residuos de construcción y demolición como puzolanas alternativas en el cemento, y su estudio en función de los diferentes porcentajes de material cerámico en su composición. La incorporación de dichos materiales debe ofrecer, además, ventajas tecnológicas en relación a los cementos comerciales tradicionales así como una mejora en las condiciones ambientales y sociales.

Por un lado, los residuos RCD pueden emplearse como adiciones puzolánicas en la fabricación de cementos eco-eficientes e innovadores, por composición y puzolanicidad semejante a otros residuos y/o sub-productos industriales empleados tradicionalmente, y por otro lado, que la incorporación de RCD con 100% de contenidos cerámico mejora las prestaciones de los cementos comerciales sin adición.

De los resultados obtenidos se puede concluir: los residuos de construcción y demolición recogidos en doce plantas de reciclado españolas presentan diferencias en los tamaños de partícula y en el contenido cerámico, lo que es consecuencia de

Finalmente, los buenos resultados obtenidos han permitido el desarrollo de una patente: Residuo cerámico útil para la elaboración de cementos, procedimiento de obtención y cementos que lo comprende (ES2512065).

1. INTRODUCCIÓN El ser humano con sus actividades siempre ha generado residuos. Esto no es un gran problema, cuando la población es relativamente pequeña o nómada. Los problemas surgen cuando los grupos comienzan a formar mayores comunidades y crean urbes cada vez más importantes. A partir de estas situaciones es cuando la gestión y control de los residuos generados cobra mayor importancia. Las políticas medioambientales poco exigentes a la hora de abordar estas circunstancias pueden desembocar en el futuro en graves situaciones para las sociedades, donde destacan los problemas medioambientales (contaminación de suelos, aguas y aire), así como la deforestación y efectos nocivos para la salud humana. Desde hace siglos, las diferentes epidemias y plagas estaban asociadas con problemas de contaminación de aguas o con la acumulación de animales, que serían capaces de transmitir enfermedades como la peste o la rabia. Debido a que el bienestar social está asociado al consumo de diferentes productos y, por tanto, de forma directa o indirecta con la generación de residuos, se hace imprescindible aplicar una gestión adecuada de los mismos. Los residuos, con una buena gestión, se pueden convertir en una fuente de materiales que contribuyen a la preservación de materias primas, a la producción de energía más limpia y económica y a un desarrollo industrial más sostenible, en la línea marcada por las directrices de la Economía Circular. En España, el Plan Nacional Integrado de residuos (PNIR) [1] para el periodo 2008-2015, pretende servir de guía para el desarrollo de políticas específicas de gestión con el fin de mejorar las existentes actualmente, y como objetivos generales presenta: • Modificar la tendencia actual del crecimiento en la generación de residuos. • Erradicar el vertido ilegal. • Fomentar la prevención y la reutilización, el reciclado de la fracción reciclable, así como la valorización de la fracción de los residuos no reciclable.

• Completar las infraestructuras de tratamiento y mejorar el funcionamiento de las ya existentes. • Obtener estadísticas fiables en materia de infraestructuras, empresas gestoras y producción y gestión de residuos. • Evaluar los instrumentos económicos y en particular los fiscales que se han puesto en práctica para promover cambios en los sistemas de gestión existentes. Identificar la conveniencia de su implantación de forma armonizada en todas las Comunidades Autónomas. • Consolidar los programas I+D+i aplicados a los diferentes aspectos de la gestión de los residuos, que incluyen el análisis de la eficiencia de los sistemas de recogida, optimización de los tratamientos y evaluación integrada de los procesos completos de gestión, desde la generación hasta la eliminación. • Reducir la contribución de los residuos al Cambio Climático y fomentar la aplicación de las medidas de mayor potencial de reducción. Uno de los tipos de residuos que se encuentran incluidos dentro del PNIR es el correspondiente a los residuos de construcción y demolición (RCD), que son el objeto de estudio de la presente monografía.

1.1. Residuos de construcción y demolición Los residuos de construcción y demolición (RCD) están regulados por una legislación específica aplicable por la que se regula la producción y gestión de este tipo de residuos (RD 105/2008 de 1 de febrero) [2]. Esta legislación supone un paso más en la creciente preocupación e interés medioambiental que la Administración central y las Comunidades Autónomas llevan mostrando desde hace varios años por este tema, y que tuvo su máxima expresión con el Plan Nacional de Residuos de Construcción y Demolición para el periodo comprendido entre el 2001-2006 (PNRCD) [3], en el que se abordaba el

14 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

tratamiento, recuperación y reciclado de este tipo de desechos. Estos planes han sido sustituidos por el ya mencionado PNIR, cuyo Anejo 6 corresponde al II Plan Nacional de Residuos de Construcción y Demolición para el periodo comprendido entre el 2008-2015 (II PNRCD). Dentro de los objetivos del PNIR en relación a los RCD, se encuentran: • Recogida controlada y correcta gestión del 95% de los RCD a partir de 2011. • Reducción o reutilización del 15% de RCD en 2011. • Reciclaje del 40% de RCD a partir de 2011. • Valorización del 70% de los residuos de envases de materiales de construcción a partir de 2010. Además, con el objetivo prioritario de ayudar a coordinar una situación de falta de control administrativo y de disparidad en la normativa entre diferentes territorios, que no hace sino perjudicar al medio ambiente, se ha aprobado el Plan Estatal Marco de Gestión de Residuos (PEMAR) 20162022 [4]. Por otro lado, también se propone priorizar las iniciativas sobre I+D+i en lo relativo al desarrollo de mejoras tecnológicas para el tratamiento de los RCD, así como la búsqueda de salidas y usos comerciales de los materiales procedentes del tratamiento de los RCD. Se convierte en obligatorio, a partir de dicho Real Decreto, la incorporación de un estudio de gestión de RCD en el proyecto de obras de edificación o construcción, que contenga como mínimo una es-

timación de la cantidad de residuos producida, así como medidas adoptadas para su prevención, procesos de gestión y valorización de estos desechos. Se señala, además, que las operaciones preferentes para este tipo de residuos, son la reutilización y el reciclado. La reutilización y el reciclaje incluyen, además, una valorización en la que se remarca que el empleo de los RCD como áridos posible minimizar los problemas que pueden suponer las restricciones existentes para la apertura de nuevas canteras y, además, conseguir un ahorro de recursos naturales. Por lo tanto, se destaca la importancia que tiene la redacción de planes de actuación en relación a los RCD, ya que representan un volumen de residuos muy significativo de ámbito mundial, y particularmente en Europa, donde se generan 530 millones de toneladas anuales aproximadamente, de las cuales 35 millones corresponden a las generadas en España [5]. Esta producción de RCD equivale al 25-30% del total de residuos sólidos generados [6]. Como consecuencia, la reducción o prevención debe ser la primera opción durante la gestión, seguida de la reutilización, reciclado y valorización (valorización energética incluida). La última opción contemplada es la eliminación en vertederos, con el objetivo final de alcanzar una sociedad sostenible [7] basada en las 3Rs [8]. Principalmente, los RCD están formados por una fracción pétrea (75%), predominando entre estos los residuos de naturaleza cerámica (54% del total) tal y como se muestra en el gráfico de la Figura 1 [3].

Figura 1. Composición de los RCD.

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 15

1.2. Aplicaciones actuales de los RCD Actualmente los RCD presentan dos tipos de aplicaciones principales. Estas se han diseñado para el empleo de los áridos reciclados en usos no ligados y en los usos ligados, tal y como queda recogido en la Guía Española de Áridos Reciclados procedentes de RCD (Proyecto GEAR) [9].

1.2.1. Los RCD en usos no ligados Los principales usos no ligados para los áridos reciclados, según a la clasificación que establece el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para obras de carreteras y puentes (PG-03) [10] se pueden agrupar en dos grandes grupos: explanaciones (y rellenos) y firmes. Posiblemente, sean estas aplicaciones las menos investigadas, aunque son a las que más producción de árido reciclado se destina, con lo que se llega a alcanzar entre el 80-95% de la producción total [9]. Expertos de todo el mundo encaminan sus investigaciones hacia la búsqueda de aplicaciones para los residuos de construcción y demolición en lo que a usos no ligados se refiere. Jiménez et al. [11] obtuvieron buenos resultados sobre el comportamiento e impacto medioambiental de áridos reciclados, basados en residuos de construcción y demolición para la construcción de tramos de carreteras rurales sin pavimentar en comparación con áridos naturales. El empleo de los RCD como base o sub-base de carreteras, también fue estudiado por Vegas et al. [12] con evaluación de las propiedades físicas, químicas y mineralógicas de este tipo de áridos reciclados, Rahman et al. [13] enfocaron sus investigaciones hacia el empleo de tres tipos de RCD (ladrillos machados, árido de hormigón reciclado y basados en asfalto) en sistemas de pavimentos permeables, aprovechando las propiedades drenantes de este tipo de materiales.

1.2.2. Los RCD en usos ligados En España, la normativa que regula los usos ligados es la Instrucción Técnica del Hormigón (EHE) [14] y los artículos referidos a pavimentos en el Pliego General de Condiciones (PG-03) [10]. Previa a la redacción de dicha instrucción, se llevaron a cabo un gran número de investigaciones, con la finalidad de evaluar la influencia que este tipo de áridos reciclados procedentes de los RCD tenían sobre el hormigón.

En 1996 aparece la primera tesis doctoral nacional, realizada por Barra [15], en la que recoge la producción de hormigones con árido reciclado con buenas prestaciones en resistencia y durabilidad, lo cual requiere el conocimiento de las características del árido reciclado y ajustar a ellas los procesos de dosificación y producción. Gómez et al. [16] estudiaron un hormigón reciclado con sustitución parcial de áridos naturales por los áridos reciclados de hormigón. En 2000, Natalini et al. [17] concluyen que la reutilización de los RCD lleva a un ahorro en los costes de la construcción reduciendo los gastos de transporte, lo cual representa un ahorro de materiales y recursos naturales. En 2001, Parra [18] presentó su tesis doctoral encaminada a la caracterización de RCD de la Comunidad de Madrid como áridos reciclados para la fabricación de hormigones. Entre otras, llegaron a la conclusión de limitar el contenido de árido reciclado en función de su naturaleza para que la mezcla desarrolle unas propiedades aceptables del hormigón reciclado. En 2002, se presentó otra tesis doctoral realizada por González [19] en la que se concluyó con la posibilidad de obtener hormigones reciclados estructurales mediante la sustitución del 50% de los áridos gruesos por áridos reciclados. Ryu [20] estudió los efectos que tenían los áridos reciclados sobre las características de resistencia del hormigón. En 2003, Parra et al. [21] describieron el modo de elaborar un hormigón a escala industrial con áridos reciclados. En este mismo año, Alaejos y Sánchez [22, 23] iniciaron distintas investigaciones encaminadas a fijar los requisitos que deben cumplir los áridos reciclados procedentes de hormigón estructural. Estos estudios han desembocado en la EHE08, normativa de obligado cumplimiento para el proyecto y ejecución de hormigón estructural. En el Anejo 15 de la citada Instrucción se recogen, por primera vez, las recomendaciones específicas sobre la utilización de árido reciclado procedente de machaqueo de residuos de hormigón, para su empleo en hormigón estructural, en la que se limita el contenido de árido reciclado hasta un 20% de sustitución del árido natural. Por otro lado en 2013, Wagih et al. [24] estudiaron la sustitución de RCD como árido reciclado para la fabricación de hormigón estructural en Egipto, y demostraron que sustituciones del 25% no producían cambios significativos en las propiedades del hormigón; mientras que las propiedades de los hormigones resultaban alteradas cuando la sustitución

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era del 100%. En el Anejo 18 de la EHE-08 se presenta la sustitución del 100% solo para el empleo del hormigón no estructural. En ninguno de los casos se contempla la posibilidad de llevar a cabo sustituciones de árido natural por RCD de naturaleza cerámica. Muchos investigadores enfocan sus trabajos en el estudio de RCD de diferente naturaleza al árido procedente del hormigón, con lo que se amplía el abanico de posibilidades que este tipo de residuos ofrece, con el objetivo de evaluar el empleo de estas nuevas tipologías de árido en la fabricación de hormigones. Así, en el año 2008, Gomes y de Brito [25] estudiaron los hormigones estructurales con la incorporación de árido reciclado de hormigón y árido cerámico procedente de la demolición de un muro en el desarrollo de la durabilidad de los hormigones fabricados. En 2011, Yang et al. [26] estudiaron la influencia que los niveles de ladrillo machacado junto con árido procedente de los residuos ejercen sobre las propiedades de los hormigones fabricados, para poder establecer los límites para los cuales las propiedades del hormigón resultan alteradas respecto a hormigones fabricados con árido natural o con cierto porcentaje de árido machacado de los residuos de hormigón. A partir del 2012, Medina et al. [27, 28] comenzaron a estudiar la sustitución del árido natural por árido grueso reciclado, formado por residuos procedentes de la industria cerámica de sanitarios. Estos materiales, debido a sus propiedades físicas, químicas y mecánicas, presentaban una excelente alternativa al empleo de áridos de otra naturaleza. Los resultados obtenidos durante las investigaciones, con sustituciones de 15, 20 y 25 % de árido natural, dejaron clara la viabilidad de su empleo en la producción de hormigones con propósitos estructurales. Bogas et al. [29] han estudiado, además, la influencia que tiene la procedencia del árido a la hora de fabricar hormigones reciclados. Con la finalidad de evaluar la influencia que los áridos reciclados pueden tener sobre las propiedades de los hormigones fabricados, Medina et al. [30] por un lado, estudiaron el empleo de áridos reciclados de baja calidad, formados por la fracción de hormigón, asfalto (19%), árido no ligado (28%) y residuos basados en arcilla (5%) y con la posibilidad de presentar partículas flotantes, con sustituciones del 25 y 50% para fabricación de hormigones con resistencias y durabilidad suficientes para la construcción de viviendas. Por otro lado, se han realizado ensayos relacionados con la durabilidad [31].

Más del 50% de los RCD obtenidos tras los tratamientos de gestión corresponden con la fracción cerámica y están compuestos mayoritariamente por ladrillos y mortero adherido. Actualmente, este tipo de residuos, al no encontrarse recogidos en la EHE08, en la mayoría de las ocasiones, se reducen las posibilidades de su reutilización. En este sentido, y con la finalidad de otorgar posibles salidas comerciales a esta fracción cerámica, Zong et al. [32] evaluaron el aumento de la permeabilidad al agua, aire y a la difusión de los cloruros de un hormigón reciclado usando ceniza volante y residuo procedente de ladrillos como árido. Ledesma et al. estudiaron el empleo de arena procedente de estos residuos, en la fabricación de morteros eco-eficientes [33]. Los resultados de las investigaciones previas llevadas a cabo, donde los RCD de diversa tipología se emplean en matrices cementantes como áridos reciclados en el hormigón con buenas prestaciones y propiedades, dan lugar a valorar la posibilidad existente de ampliar la aplicabilidad de dichos residuos, que tal y como ha sido explicado, suponen un importante flujo de residuos en todo el mundo. Esta idea, acompañada de la conciencia existente acerca de que el sector cementero ha sido considerado históricamente como un sector poco respetuoso con el medio ambiente, pero que a su vez posibilita el reciclado de distintos tipos de residuos y/o subproductos industriales a lo largo de su proceso industrial (materias primas, correctores, combustibles, adiciones) abren una nueva vía para los RCD.

1.3. Industria cementera La industria cementera ofrece multitud de posibilidades a lo largo de todo el proceso de fabricación del cemento, en lo que al aprovechamiento de residuos, y/o subproductos industriales se refiere, con el objetivo principal de conseguir procesos más eficientes y sostenibles [34, 35]. La Figura 2 [36] muestra un esquema del proceso de fabricación de cemento. La utilización de diferentes materiales como materias primas alternativas ya está implantada con el fin de reducir la explotación que tiene lugar en las canteras. Los materiales que principalmente se emplean son calizas, arcillas o su mezcla natural (margas). La roca basáltica, cuyo uso es limitado, se ha considerado materia prima alternativa al empleo de arcillas en la producción de clínker [37].

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 17

Figura 2. Esquema del proceso de fabricación del cemento desde la cantera a la distribución.

Figura 3. Materias primas alternativas comúnmente empleadas en la industria cementera en Alemania.

18 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

En la Figura 3 [38], se muestra a modo de ejemplo materias primas alternativas empleadas en la industria cementera alemana en el año 2009. La mayoría de estos materiales, pueden ser empleados también como correctores de materias primas. Los combustibles alternativos que se emplean principalmente en la industria cementera son: • Neumáticos al final de su vida útil, procedentes de la industria del automóvil que, debido a su alto contenido en carbón, elevado valor calorífico y baja humedad, hacen de estos residuos unos de los combustibles alternativos más empleados [36], incluso los alambres de refuerzo de los propios neumáticos pueden emplearse como materia prima alternativa, sustituyendo a fuentes naturales de hierro [39]. • Los recubrimientos de carbón agotados (en inglés, spent carbon lining, SCL), son residuos sólidos que se producen durante la fabricación del aluminio en las celdas electrolíticas. Hasta el 79% de los SCL generados en Estados Unidos se recicló en los hornos de cemento [40]; 7449 toneladas de SCL, en 2009, se reciclaron en Australia como combustible alternativo [41]. • Los lubricantes industriales también se emplean como combustibles alternativos debido a su elevado poder calorífico, con lo que se minimizan los costes del proceso [42]. En la mayoría de los casos, estos lubricantes alcanzan valores caloríficos superiores a los del carbón empleado de forma tradicional. • Lodos de aguas residuales y residuos animales [43] también se emplean igualmente como combustibles alternativos en la industria cementera. En la Figura 4 [44] se muestra la utilización de combustibles alternativos en Europa en el año 2012. Por último, en la etapa final del proceso, con la incorporación de adiciones activas al cemento, muchos son los residuos y sub-productos industriales incorporados. La incorporación de este tipo de materiales tiene tres claras ventajas: • Reducción del contenido de clínker necesario por tonelada de cemento fabricado, y, por lo tanto, disminución de los efectos que la fabricación del cemento provoca (explotación de canteras, consumo de combustibles fósiles, emisiones de gases de efecto

Figura 4. Combustibles alternativos empleadas en la industria cementera en Europa.

invernadero a la atmósfera, etc.) • Valorización de residuos y/o sub-productos industriales • Mejora de las propiedades de los cementos mezcla La normativa europea vigente (EN 197-1) [45] recoge claramente las adiciones que se pueden utilizar para la comercialización de cementos en Europa: • • • • • •

escoria de horno alto humo de sílice cenizas volantes (silíceas o calcáreas) esquistos calcinados caliza puzolanas (naturales o calcinadas)

1.4. Puzolanas El término puzolana se usa genéricamente para definir unos materiales que, sin ser cementicios per se, contienen constituyentes que, a temperatura ambiente y combinados con la cal en presencia de agua, forman compuestos estables e insolubles que se comportan como conglomerantes hidráulicos [45, 46]. El Ca(OH)2 necesario para dicha reacción puzolánica puede proceder directamente de la cal hidratada o de la hidratación del cemento portland. Los orígenes de la utilización de puzolanas (tierras de Santorín) en morteros de cal datan del siglo iv a. C. en la antigua Grecia. Posteriormente, los romanos descubren que ciertos suelos volcánicos procedentes de la comarca de Pozzuoli (a los pies del Vesubio) [47], al mezclarse con cal producían excelentes conglomerantes hidráulicos. Las puzolanas se han venido empleando desde la Antigüedad. Ya los romanos levantaron multitud

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 19

de edificaciones como panteones, coliseos, estadios, basílicas, acueductos o puentes mediante el empleo este tipo de materiales junto con la cal. Estas edificaciones se han conservado hasta nuestros días El empleo de puzolanas se puede justificar desde diversas perspectivas:

la bibliografía se pueden encontrar diversas clasificaciones, como las realizadas por Calleja [47], Masazza [53, 54], Sersale [55] o Soria [56]. Sin embargo, todas coinciden en clasificar las puzolanas en naturales y artificiales atendiendo a su origen. • Puzolanas artificiales

• Técnica: en función de su naturaleza, las puzolanas pueden otorgar a los cementos características especiales, en particular la mejora de su comportamiento durable [46, 48, 49]. Esto se debe a que la cal de hidrólisis (portlandita) de los silicatos cálcicos del cemento se combina con los componentes ácidos de la puzolana (SiO2, Al2O3 y Fe2O3), con lo que da lugar a silicatos y aluminatos similares a los formados a partir del cemento portland. • Económica: las puzolanas se incorporan al final del proceso, durante la molienda del cemento, sin necesidad de pasar por el proceso de clinkerización, con el consecuente ahorro en energía. • Medioambiental: Al reducir el contenido de clínker necesario por tonelada de cemento, se reduce a su vez el combustible que se consume en el horno y se da lugar a menores emisiones de gases a la atmósfera, lo que está en consonancia con la política ambiental mundial, en la lucha contra el cambio climático y el esfuerzo de que la Unión Europea alcance el objetivo de la reducción del 80-90% de los gases de efecto invernadero en 2050 [50–52]. Sin embargo, la disponibilidad de las puzolanas tradicionales está disminuyendo debido a una explotación menos extensiva e intensiva, así como por una tendencia a la baja en el establecimiento de nuevos emplazamientos y en un intento de disminuir el impacto paisajístico y ambiental que esa explotación genera. Las políticas medioambientales, además, buscan minimizar la acumulación de residuos, y dan prioridad, por tanto, al reciclado de residuos y/o subproductos industriales para su empleo en la fabricación de cemento.

1.4.1. Clasificación de las puzolanas Hacer una clasificación precisa de las puzolanas no es una tarea fácil, ya que bajo esta denominación se abarca materiales de distintos orígenes y composiciones, tanto química como mineralógica. Por tanto, en

Las puzolanas basadas en residuos y/o subproductos industriales son las denominadas puzolanas artificiales [57], que constituyen dos grandes grupos: las generadas en procesos industriales: humo de sílice (SF), ceniza volante (FA), escorias de cobre, de silicio y manganeso, ceniza de caldera (BA) y catalizadores de craqueo catalítico (FCC); y las obtenidas a partir de residuos agro-industriales: cenizas de cáscara de arroz, cenizas de caña de azúcar, lodos de papel activados o bambú. Son muchos los investigadores que han centrado sus trabajos en el desarrollo y conocimiento de este tipo de materiales como adiciones puzolánicas. Así Frías et al. [58] han estudiado la influencia que la incorporación de escorias silico-manganésicas tienen sobre la durabilidad de cementos con adición, Cheriaf et al. [59], y Sanjuan y Menéndez [60], han estudiado el empleo de mezclas de ceniza de caldera y cenizas volantes en cementos mezcla. El empleo de FCC como adición puzolánica en el cemento ha sido ampliamente estudiado por Pacewska et al. [61] y Payá et al. [62]. García de Lomas et al. [63] estudiaron la influencia que la incorporación de los FCC en el cemento ejerce sobre el calor de hidratación en los morteros. Muchos son las investigaciones llevadas a cabo en la última década enfocadas a los residuos agro-industriales y su valorización como puzolanas, de esta forma, un claro ejemplo, son los estudios llevados a cabo por Frías et al. [64, 65], García et al. [66] y Vigil et al. [67] establecieron las bases científicas, técnicas y medioambientales para la reutilización de residuos papeleros como adición activa al cemento. La investigación acerca de las cenizas de cáscara de arroz, aunque ya estudiadas a mediados de la década de los ochenta [68] se está incrementando en el último lustro, por lo que se estudian tanto las condiciones de calcinación de este residuo agro-industrial para con-

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seguir las mejores propiedades puzolánicas, como los efectos que su incorporación tiene sobre la estructura y microestructura en los sistemas cementicios [69–72]. La ceniza procedente de la calcinación de la caña de azúcar también ha sido ampliamente estudiada, tanto la procedente de la paja de la caña de azúcar como la procedente del bagazo, con la finalidad de reutilizar la gran cantidad de cenizas debidas a la combustión de estos residuos (15 millones de toneladas) [73–78]. • Puzolanas naturales Según la literatura sobre los análisis químicos [79–85], los diferentes tipos de puzolanas naturales no difieren demasiado en este sentido; sus componentes mayoritarios son la sílice, alúmina y el óxido de hierro. Sin embargo, los porcentajes correspondientes de estos óxidos, al igual que la pérdida por calcinación, puede variar de unas puzolanas a otras dependiendo del tipo de puzolana y de su origen. A su vez, las puzolanas naturales se pueden subdividir en: - Volcánicas: son puzolanas naturales de origen mineral surgidas de erupciones volcánicas explosivas depositándose en los alrededores del volcán. En función de la viscosidad, de la velocidad de enfriamiento y del contenido de gases del magma fundido original surgen: Las cenizas, la piedra pómez, las escorias y las bombas. - No volcánicas: son aquellas que proceden de rocas de simple depósito como las arcillas y la sílice amorfa o las tierras de diatomeas, compuestas de esqueletos silíceos de microorganismos, depositados en el agua del mar (origen orgánico). - Origen mixto: son los materiales que proceden de rocas compuestas estratificadas de distinto origen (volcánico, sedimentario y orgánico). Además, se pueden definir como puzolanas naturales calcinadas según la normativa española y europea [45], a aquellos materiales volcánicos,

arcillas, esquistos o rocas sedimentarias que sufren una activación térmica. Es conocido que los materiales arcillosos, inertes en un comienzo, alcanzan una gran actividad puzolánica, cuando son térmicamente activados a temperaturas entre 600 y 900 ºC, y molidos a la misma finura que el cemento. Su composición se basa principalmente en sílice y alúmina, y la pérdida del agua combinada durante la calcinación destruye la red cristalina de las arcillas, y da lugar a materiales amorfos e inestables, siendo esta inestabilidad térmica la responsable de su actividad puzolánica [86]. Un claro ejemplo dentro de la familia de los filosilicatos es la caolinita, después de activarse térmicamente (entre 500 y 700 ºC), se transforma en metacaolinita, producto con elevada actividad puzolánica [87–92]. Por otro lado, la fabricación de materiales cerámicos (entre otros, tejas, ladrillos y azulejos) implica este tipo de procesos en las arcillas empleadas como materias primas. La industria cerámica produce millones de toneladas de estos materiales, de los cuales una fracción —por defectos durante el proceso de fabricación (defectos dimensionales o fallo en las temperaturas de cocción)— se considera desechos. Investigaciones llevadas a cabo por Sánchez de Rojas et al. [93–95], Ay y Ünal [96], Gonçalves et al. [97] y Lavat et al. [98], entre otros, muestran que la composición química y mineralógica de este cascote cerámico es similar a la de otros materiales empleados como puzolanas, así como su buen comportamiento puzolánico. Los buenos resultados obtenidos por los investigadores con el empleo del cascote cerámico como adición puzolánica, y la similitud evidente entre estos residuos y los RCD de base cerámica, hacen que se plantee la posibilidad de emplear estos RCD de base cerámica como adición puzolánica, considerándolos como puzolanas naturales calcinadas. De esta manera, por un lado, sería posible ampliar las aplicaciones en las que hoy en día se emplean estos residuos y que han sido ampliamente descritas en la introducción y, por otro lado, dar una solución a los problemas generados por la dificultad en la explotación de las canteras para la obtención de puzolanas naturales debido al impacto que dicha explotación supone para el paisaje.

2. OBJETIVOS El objetivo principal de la investigación descrita en la presente monografía es el diseño de nuevos cementos eco-eficientes a partir de la valorización de residuos de construcción y demolición (RCD) como puzolanas alternativas en el cemento. La incorporación de diferentes porcentajes de material cerámico (RCD) en el cemento debe ofrecer ventajas tecnológicas en relación a los cementos comerciales tradicionales y, además, mejorar las condiciones ambientales y sociales.

Para la consecución de dicho objetivo principal es necesario abordar diferentes objetivos concretos, donde destacan: • Estudio de los procesos de gestión de los RCD en las plantas de reciclaje. • Caracterización de los residuos, para lo cual es necesario determinar la composición química, mineralógica y morfológica, así como las propiedades puzolánicas de los RCD recogidos en plantas de gestión estudiadas • Diseño de nuevos cementos eco-eficientes que incorporen RCD. • Caracterización de los nuevos cementos diseñados en base a la normativa europea vigente.

3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1. TÉCNICAS INSTRUMENTALES 3.1.1. Difracción de rayos X (DRX) Esta técnica se utiliza para la identificación de las fases cristalinas presentes tanto en los RCD como en los nuevos cementos diseñados. El difractómetro empleado es un BRUKER AXS modelo D8 Advance sin monocromador, donde el ánodo empleado es de cobre a 3 kW (Cu Kα1.2) y el cátodo, de wolframio. El difractograma de polvo se ha registrado para 2θ, comprendido desde 5º a 60º, para un tiempo de paso de 0.5 s y un tamaño de paso de 0.019732º. La intensidad de corriente y voltaje aplicados al tubo generador de rayos X ha sido de 30 mA y 40 kV y rendija de divergencia variable de 6 mm.

3.1.2. Fluorescencia de rayos X (FRX) Esta técnica permite determinar la composición química de los RCD recogidos. El espectrómetro empleado fue un Philips PW1404, con un tubo de rayos X de Sc-Mo, con cinco cristales analizadores: Ge, LIF220, LIF200, PE y TLAP, las condiciones de trabajo fueron 40 kV y 70 mA y se empleó como software el Super-Q manager.

3.1.3. Microscopía electrónica de barrido (SEM/BSE) y análisis por energías dispersivas (EDX) La utilización de estas técnicas combinadas permite realizar el estudio morfológico y el análisis elemental de los componentes del material, con el objeto de identificar los elementos presentes en el mismo, así como su distribución dentro de la muestra. El estudio morfológico se llevó a cabo en los RCD (estudio de los componentes) y en los nuevos cementos diseñados (para el estudio de las nuevas fases hidratadas formadas durante el ensayo de durabilidad). Se empleó un microscopio electrónico de barrido marca HITACHI, modelo S4800, acoplado a

un espectrómetro de dispersión de energía de rayos X marca BRUKER nano, modelo XFlash Detector 5030, con fuente de wolframio, que permite realizar análisis químicos puntuales por energías dispersivas de rayos X con detector de silicio / litio y analizador DX.

3.1.4. Análisis térmico diferencial (ATD/TG) Esta técnica se utiliza para conocer las variaciones de peso con la temperatura de las muestras, así como el calor asociado a las transformaciones físico-químicas experimentadas por las muestras durante su calentamiento. El equipo empleado para llevar a cabo estos análisis fue un SATQ600 de TA instruments, de doble brazo. En uno de ellos se encuentra un crisol de platino vacío, que es empleado como referencia, mientras que, en el otro brazo, en otro crisol de platino, se introduce la muestra. El flujo de gas empleado es de 100 ml.min-1 (tanto para el aire, para el análisis de los residuos de RCD, como para el N2 cuando se evalúan las pastas de cemento). Todos los ensayos se recogieron en el intervalo de temperaturas comprendido entre 25 y 1000 ºC, con una velocidad de calentamiento de 10 ºC.min-1.

3.1.5. Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) Esta técnica espectroscópica proporciona información sobre la variación en los enlaces químicos del material, variaciones debidas tanto a cambios en los ángulos de enlace en las moléculas, como las distancias existentes entre los átomos. El espectrofotómetro empleado fue un THERMO SCIENTIFIC modelo Nicolet 600 FT-IR. Se barrió el rango de frecuencias comprendido entre 4000 y 400 cm-1, con lo que se realizaron 128 barridos y con una resolución espectral de 4 cm-1.

3.1.6. Porosimetría por intrusión de mercurio El uso de esta técnica permite obtener información acerca de la estructura porosa de los

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materiales, donde destaca la determinación de la porosidad total, el diámetro de poro medio y la densidad de distribución del tamaño de poro. Los ensayos de porosimetría por intrusión de mercurio se hicieron con un porosímetro de mercurio marca MICROMERITICS, modelo Autopore IV 9500 que alcanza una presión de 33000 psi (227.5 MPa).

• De esta manera, y por la diferencia en la concentración de Ca2+ existente inicialmente en la disolución (17.68 mmol.l-1), es posible conocer la cantidad de cal fijada por la muestra, con lo que se consigue obtener gráficas donde se represente la evolución en la fijación de cal con el paso del tiempo. • El residuo final obtenido después del filtrado se lava con etanol y se seca durante 24 horas a 60 ºC para posteriormente caracterizarlo.

3.2. Metodologías de ensayo 3.2.1. Disolución saturada de cal (DSC)

3.2.2. Metodología Köch-Steinegger

La actividad puzolánica de los residuos de construcción y demolición recogidos en las plantas de reciclaje se evaluó empleando un método químico acelerado, denominado disolución saturada de cal (DSC). El método está basado en el ensayo de puzolanicidad existente para los cementos puzolánicos [99], y que previamente ha sido puesto a punto por investigadores dentro del grupo de reciclado de materiales del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja [95]. Dicho método (véase esquema en Figura 5) consiste en:

Para la evaluación de la durabilidad de pastas de cemento inmersas en una disolución de sulfato sódico (Na2SO4) se utilizó una metodología basada en los ensayos de Köch-Steinegger [100]. Tres son las fases principales del método: • Amasado de probetas prismáticas (1x1x6 cm) de pasta de cemento con w/c = 0.5 (relación agua/cemento) • Inmersión de las probetas en agua a temperatura ambiente para su curado durante veintiocho días.

• 1 g de RCD se mezcla con 75 ml de una disolución saturada de Ca(OH)2. • La mezcla se agita vigorosamente para homogeneizar lo máximo posible y se conserva en una estufa a una temperatura de 40 ºC durante diferentes tiempos de reacción. • Las muestras se compararán con una disolución blanco donde no se ha incorporado el material puzolánico (referencia). • Las muestras se realizan por duplicado. • Transcurridos los tiempos de reacción, previo filtrado de la disolución: 1.

Una alícuota de 20 ml del sobrenadante se valora con ácido clorhídrico (HCl) 0.1 N (estandarizado gracias al empleo de carbonato de sodio como patrón primario) para conocer la concentración de iones OH-. 2. Una segunda alícuota de 20 ml se valora con ácido diamino tetracético (AEDT) 0.02 M (estandarizado gracias al empleo de carbonato de calcio como patrón primario) para conocer la concentración de iones Ca2+ que quedan en la disolución.

Figura 5. Esquema de la metodología seguida durante el ensayo de disolución saturada de cal.

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 25

3. Para los tiempos de ensayos establecidos (14, 21, 42 y 56 días), se sacarán las probetas de los botes para su caracterización.

• Preparación del medio agresivo (disoluciones de Na2SO4 con concentraciones de 0.5 y 1 M) y empleo de agua destilada como disolución de referencia. • Realización del ensayo: 1.

Se introducen verticalmente en botes de plástico seis probetas fabricadas con las pastas de cemento (previamente medidas y pesadas). 2. En cada bote se introducen 780 ml de disolución agresiva o agua (en el caso de la referencia)

3.2.3. Metodologías normalizadas A lo largo del trabajo se realizaron diferentes ensayos y se siguieron diversas metodologías que se encentran recogidas en la normativa española o europea. Dichas metodologías se recogen en la Tabla 1.

Tabla 1. Metodologías normalizadas empleadas durante la investigación Característica

Química

Física

Ensayo

Norma

Sílice reactiva

UNE 80225

Puzolanicidad de cementos

EN 196-5

Contenido en cloruros

EN 196-2

Contenido en sulfatos

EN 196-2

Agua de consistencia

EN 196-3

Tiempo de fraguado

EN 196-3

Estabilidad de volumen

EN 196-3

Escurrimiento

UNE 83811

Resistencias mecánicas

UNE 196-1

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1. Estudio de la gestión de las plantas de reciclaje El primer paso de la investigación fue la visita a doce plantas de reciclaje distribuidas por la geografía española (Figura 6), donde se estudiaron los modelos de gestión de los residuos desde que que se recepcionan en la planta hasta que están disponibles para su comercialización. Se observó, después de visitar todas las plantas, que, con pequeñas modificaciones, la gestión de todas es muy similar y comparten las etapas más importantes del proceso. De esta manera, de forma general, el proceso que siguen los residuos de construcción y demolición para su separación se detalla a continuación:

4.1.1. Entrada de RCD en la planta Entre los materiales que llegan a las plantas de reciclaje para su tratamiento se incluyen los procedentes de las actividades de construcción y demolición, tanto en grandes construcciones como en obras de remodelación y reforma llevadas a cabo por particulares. Además, quedan incluidos también los de-

Figura 6. Localización de las plantas de reciclaje estudiadas.

sechos procedentes de la fabricación de materiales cerámicos (tejas, ladrillos, azulejos...) defectuosos, cuya comercialización resulta imposible. Los materiales llegan a la planta y se someten a diferentes controles (Figura 7): • Visual Se realiza un control visual a la entrada de la planta asistido por cámaras de vigilancia para visualizar el material recepcionado. • Pesaje De esta manera, es posible corroborar el tipo de residuo que entra. La densidad es un buen indicador de la pureza o contaminación de los residuos. Residuos más limpios (mejor separación de origen) conllevan tasas de gestión más bajas. • Documental La entrada de residuos en la planta queda controlada mediante la gestión de albaranes y documentación adicional.

4.1.2. Acopio del residuo Los residuos, una vez controlados a la entrada de la planta, se descargan en las zonas de acopio playas de descarga (Figura 8). Estas zonas se

Figura 7. Control de los residuos a la entrada de la planta de reciclaje.

28 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

encuentran cubiertas e impermeabilizadas para evitar la posible contaminación de las capas subterráneas inferiores. Los residuos pueden ser de varios tipos, predominando el hormigón y los residuos de naturaleza cerámica. También, en menor proporción, pueden estar presentes otros materiales como vidrio, madera, metal, plástico y yeso.

4.1.3. Separación de los materiales Debido a las diferentes tipologías de residuos encontradas, la separación de los residuos se lleva a cabo en diferentes etapas dentro de un proceso lineal. • Pre-tratamiento En la mayor parte de las ocasiones, los mate-

riales recepcionados son de naturaleza muy heterogénea, motivo por el cual es necesario un tratamiento inicial de los residuos. Las plantas de reciclaje disponen de distintos contenedores señalizados (Figura 9) donde los materiales no pertenecientes a la fracción pétrea (lubricantes, aerosoles, baterías, pinturas, aislantes, adhesivos, algunos tipos de fibras o incluso materiales contaminados por el contacto con los primeros) se almacenan para su posterior gestión. En la mayoría de los casos es necesaria la actuación de gestores externos especializados. Una vez que la fracción pétrea se encuentra separada, las porciones de mayor tamaño (generalmente hormigón) son fácilmente separables mediante el empleo de excavadoras y pinzas, a través de una primera tritura-

Figura 8. Playa de descarga.

Figura 9. Separación de la fracción no pétrea.

Figura 10. Residuo limpio de hormigón.

Figura 11. Alimentación de la línea de proceso.

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 29

ción que facilita el posterior tratamiento y la separación de las armaduras metálicas. En este momento, se obtiene un primer producto limpio, con un contenido 100% de hormigón (Figura 10). Dependiendo de las aplicaciones de uso final, el producto resultante puede someterse a etapas sucesivas de molienda para la obtención de diferentes granulometrías en función de la demanda social.

Cabe indicar que, en el puesto de control, existe la posibilidad de activar aspersores y así humedecer la muestra y disminuir la generación de polvo. • Trómel y separaciones neumática y magnética Una vez realizado el pre-cribado inicial, el residuo pasa a un trómel rotativo (Figura 12) que permite que el producto avance, a la vez

• Alimentación La alimentación de la línea de separación se realiza mediante el empleo de una retroexcavadora que vuelca el residuo sobre una tolva (Figura 11) equipada en su parte inferior con una parrilla inclinada (pre-cribado) capaz de producir un movimiento oscilatorio que permite el paso del material de un tamaño determinado.

Figura 12. Trómel.

Figura 13. Separación neumática de materiales ligeros.

Figura 14. Separación magnética de metales.

Figura 15. Separación manual en cabina de triaje.

30 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

que es capaz de ir cribando en función de la granulometría. Este producto se deposita sobre una cinta transportadora donde, inicialmente y por medio de un ventilador (Figura 13), se separan los materiales de naturaleza más ligera (plásticos que no han podido ser separados en la playa de descarga). Posteriormente, se llevará a cabo una separación de los materiales magnéticos de pequeño tamaño, este tipo de separación, consiste en la disposición de una cinta magnética rotatoria (Figura 14) sobre la cinta

transportadora captando todo material magnético que pasa, siendo esté depositado en un contenedor. • Cabina de triaje Durante esta fase del proceso, se lleva a cabo la eliminación de materiales de origen no pétreo (plásticos, cartones, madera, metales, fibrocemento, etc.) que no hayan sido eliminados con anterioridad. Estos materiales de desecho se envían directamente a unos contenedores que se encuentran en la parte inferior de la cabina, con lo que se facilita su separación y posterior gestión. Cabe destacar que, al comienzo de la presente etapa, el residuo vuelve a humedecerse por medio de un circuito de aspersión. A la salida de la cabina de triaje (Figura 15) es posible obtener una fracción cerámica mixta. • Etapas adicionales en el proceso Para obtener un material lo más limpio posible, las plantas de reciclaje podrían incorporar etapas adicionales con bañeras de lavado (Figura 16) para la retirada de materiales ligeros, etapas de trituración e incluso nuevas fases de separación magnética (Figura 17).

4.1.4. Productos finales

Figura 16. Bañera de lavado para retirada de partículas ligeras.

Figura 17. Etapas adicionales de molienda y separación magnética.

Principalmente, los productos resultantes de la gestión llevada a cabo en las plantas de reciclaje se clasifican en dos grandes grupos: residuos limpios de hormigón (Figura 10) obtenidos durante el

Figura 18. Residuo mixto cerámico obtenido al final del proceso.

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 31

pre-tratamiento en la playa de descarga, y residuos mixtos cerámicos (Figura 18) obtenidos tras el proceso de gestión completo. Ambos productos pueden variar, en cuanto a granulometría se refiere, en función de las necesidades de la planta y/o la demanda del mercado y también de las aplicaciones a las que vayan encaminados este tipo de materiales. Cabe destacar que en la mayoría de las plantas de reciclaje de RCD, los molinos en los que se llevan a cabo las etapas de trituración son móviles, lo que facilita la molienda de cualquiera de las fracciones en cualquier lugar de la planta.

4.2. Selección de RCD Desde un punto de vista científico-técnico, se seleccionaron doce residuos de construcción y demolición procedentes de las doce plantas de reciclaje visitadas. En la Figura 19 se muestra uno de los residuos a modo de ejemplo. Para la selección de estas doce muestras se tuvieron en cuenta los procedimientos completos de separación y gestión de las plantas, y en especial dos factores: • El primer factor surge a partir de investigaciones previas llevadas a cabo por Sánchez de Rojas et al., donde se estudió la idoneidad de residuos cerámicos procedentes de desechos de fabricación de tejas y ladrillos como adiciones puzolánicas al cemento [93, 101]. De esta manera, con la presente investigación es posible el estudio de la influencia

que los otros materiales que pueden acompañar al material cerámico (mortero, pinturas, áridos, etc.) tienen sobre la composición y comportamiento puzolánico. Así, se estableció que, como mínimo, en los residuos debe existir al menos un 20% de material cerámico. • El segundo factor importante a tener en cuenta durante la selección de las muestras a estudiar es el tamaño de partícula final obtenido después del tratamiento de los RCD en cada empresa de reciclado. La importancia de dicho factor reside en la aplicación final de estos materiales durante la investigación (adición puzolánica), donde el tamaño de partícula juega un papel muy importante. Por tanto, se seleccionaron residuos que después del tratamiento de gestión en las plantas de reciclado tuvieran el menor tamaño de partícula posible para que, de esta manera, fuera posible minimizar la posterior molienda necesaria durante el acondicionamiento de los residuos para la aplicación final (obtención de tamaños de partícula inferiores a 63 µm) y así disminuir los costes derivados de este proceso.

4.3. Caracterización inicial de los RCD Para llevar a cabo la caracterización de los RCD es necesario un pre-tratamiento de los residuos que los adecúe a su posterior aplicación como adición puzolánica. Dicho pre-tratamiento consiste en: • Secado durante 24 horas a una temperatura de 105 ± 5 ºC para eliminar la posible humedad que puedan tener los RCD debida a su acopio durante tiempo variable en las plantas de reciclaje. • Molienda en molino de anillos para obtener un tamaño de partícula inferior a 63 µm (finura similar a la del cemento). 4.3.1. Composición química

Figura 19. Ejemplo de RCD recogido en planta de reciclaje.

La composición química de los RCD recogidos en las plantas de reciclaje españolas se ha determinado mediante fluorescencia de rayos X (FRX) y se han obtenido los resultados que se muestran en la Tabla 2.

32 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

Tabla 2. Composición química de los RCD Óxido (% peso)

W-01

W-02

W-03

W-04

W-05

W-06

W-07

W-08

W-09

W-10

W-11

W-12

SiO2

50.64

70.47

36.78

59.63

55.27

56.98

48.49

50.80

56.25

35.59

26.57

42.04

Al2O3

11.68

12.63

5.81

18.51

9.76

8.59

10.26

9.16

10.46

10.39

7.50

11.54

Fe2O3

3.20

3.02

3.96

5.92

3.54

2.51

2.45

2.70

4.18

3.66

2.90

4.28

MnO

0.06

0.02

0.21

0.09

0.04

0.03

0.03

0.04

0.06

0.03

0.03

0.07

MgO

1.98

1.05

1.84

3.08

1.12

1.42

1.91

2.12

1.93

5.16

9.18

2.51

CaO

16.11

4.38

29.47

4.78

16.21

16.11

17.78

16.91

12.53

21.86

24.50

20.66

Na2O

1.44

0.62

0.25

0.70

0.34

0.41

0.86

0.63

0.49

0.51

0.56

0.76

SO3

0.46

0.17

0.39

0.42

0.77

0.58

2.62

3.27

0.87

0.60

1.28

2.71

K2O

2.56

2.43

1.27

3.58

1.82

2.15

3.21

2.38

2.15

2.12

1.48

1.99

TiO2

0.44

0.49

0.25

0.84

0.49

0.30

0.26

0.32

0.67

0.46

0.30

0.54

P2O5

0.25

0.10

0.16

0.15

0.12

0.10

0.13

0.13

0.19

0.13

0.10

0.14

PF*

11.15

4.59

19.59

2.15

10.51

10.82

11.90

11.49

10.18

19.48

25.58

12.67

SiO2Reactivo

29.36

40.25

19.24

35.10

30.18

33.43

31.66

29.46

32.97

16.87

13.54

26.41

S+A+F**

65.52

86.11

46.55

84.06

68.57

68.07

61.2

62.67

70.89

49.64

36.97

57.86

*PF, Pérdida al fuego **S+A+F: SiO2 + Al2O3 + Fe2O3

A la vista de los resultados mostrados por la Tabla 2, los componentes mayoritarios son SiO2, Al2O3 y CaO, aunque existen diferencias significativas entre el contenido de dichos compuestos para residuos procedentes de unas plantas de reciclaje y otras. Dichas diferencias composicionales se asocian con los flujos intermitentes y heterogéneos de residuos que entran en las plantas para su gestión [5]. Cabe destacar que, a pesar de las diferencias mencionadas anteriormente, desde el punto de vista cualitativo, la composición coincide en los doce residuos, de los cuales, el óxido de silicio es el componente mayoritario en todos los casos, y en el 75% de los residuos, la proporción de sílice reactiva [102] (componente que determina la puzolanicidad de un material) es superior al 25% que establece la normativa europea [45] para que un material pueda ser considerado puzolánico. Otros óxidos como Al2O3 y Fe2O3 (que también participan en la reacción puzolánica) son de gran importancia para estos materiales, por lo que se obtienen valores similares a los resultados de trabajos anteriores para otras puzolanas como las zeolitas calcinadas para su uso en cementos puzolánicos de elevada resistencia mecánica [103], cenizas volantes [104], residuos procedentes del tratamiento de aguas [105] y desechos procedentes de la industria de materiales cerámicos [101].

Desde el punto de vista químico, otro aspecto a destacar en este tipo de materiales son las diferencias que se aprecian en los contenidos de CaO y SO3, que están directamente relacionadas con los valores de pérdida al fuego: mayores valores de pérdida al fuego se deben en su mayor parte a la alteración de compuestos que no se corresponden con la parte cerámica del residuo como son la calcita (CaCO3) y la basanita (CaSO4.1/2H2O), que procede del yeso y, debido al acondicionamiento previo necesario (secado a 105 ºC), se deshidrata parcialmente. De forma similar, Frías et al. [106] observaron pérdidas al fuego superiores al 20% debidas a la presencia de calcita en lodos de papel.

4.3.2. Composición mineralógica Desde el punto de vista cualitativo, todos los RCD recogidos de las plantas de reciclaje españolas tienen la misma composición mineralógica. Es por este motivo por el que en la Figura 20 se muestra a modo de ejemplo el diagrama de difracción obtenido para uno de los RCD recogidos para el presente trabajo (W-07, procedente de Madrid). Las diferencias composicionales entre residuos se encuentran en el contenido de cada una de las fases mineralógicas (punto de vista cuantitativo), diferencias que serán objeto de apartados posteriores de esta monografía.

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 33

Los compuestos mineralógicos presentes en los residuos junto con las líneas de difracción más significativas se recogen en la Tabla 3. Cabe destacar de nuevo que la basanita observada mediante DRX se produce como consecuencia de la deshidratación del yeso presente en los residuos iniciales y que se ha deshidratado parcialmente por el acondicionamiento previo. Todos estos compuestos cristalinos se han identificado en otros materiales usados como adiciones puzolánicas en el cemento. De esta manera, estudios de difracción de rayos X llevados a cabo por Lavat et al. y Sánchez de Rojas et al. en tejas de arcilla cocida muestran cuarzo, calcita, anortita y hematita en su composición [95, 98].

4.3.3. Estudio de actividad puzolánica Los resultados correspondientes a la fijación de cal con el paso del tiempo, para los RCD de base cerámica, se comparan en la Figura 21 con la actividad

puzolánica que muestran dos materiales ampliamente estudiados y usados como adición puzolánica tales como el humo de sílice (HS) y la ceniza volante (CV). Tal es el empleo de dichos materiales, que se encuentran recogidos dentro de la normativa europea [45]. Los datos muestran que cuando los residuos se mezclan con una disolución saturada de hidróxido cálcico, todos los residuos recogidos en las plantas de reciclaje muestran una actividad puzolánica intermedia entre los valores observados para el humo de sílice y la ceniza volante. Existen diferencias entre la cinética de reacción de unos residuos con respecto a otros. Dicho resultado se encuentra vinculado a la pureza de los residuos, es decir, el porcentaje de componentes cerámicos en los materiales, por lo que se consideran los restantes impurezas. De esta manera, una gestión llevada a cabo por las plantas de reciclaje que asegure un elevado porcentaje cerámico en los residuos conllevará un incremento en la actividad puzolánica de los residuos, aumentando así la aplicabilidad de dichos materiales como adición al cemento.

4.4. Influencia del contenido de material cerámico en los RCD

Figura 20. Difractograma correspondiente a W-07.

La influencia del contenido cerámico sobre la actividad puzolánica de los residuos y, por tanto, sobre las propiedades de los futuros cementos diseñados, se evaluó por medio de la selección de dos de los RCD recogidos para su estudio en profundidad como paso previo a su incorporación al cemento como adición puzolánica: uno, W-04 que está compuesto completamente por material cerámico y otro, W-07, que contiene solo el 20% (porcentaje estimado a partir de la separación manual del RCD).

Tabla 3. Información sobre compuestos mineralógicos presentes en los RCD Compuesto mineralógico

Fórmula química

Código ICSD

Líneas de difracción (2theta/º)

Illita

K(Al4Si2O9(OH)3)

090144

8.84

19.89

35.02

Basanita

CaSO4.1/2H2O

092947

14.72

29.69

31.90

Cuarzo

SiO2

067121

20.86

26.64

50.13

Ortoclasa

KSi3AlO8

010270

23.60

26.94

27.52

Anortita

CaAl2Si2O8

202710

27.78

27.88

28.03

Calcita

CaCO3

040112

29.36

47.37

48.46

Dolomita

CaMgCO3

202162

30.92

41.11

51.02

Hematite

Fe2O3

082904

33.16

35.63

54.07

34 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

Figura 21. Cal fijada (%) por los residuos con el tiempo.

4.4.1. Composición química y mineralógica Tanto en W-04 como en W-07 se llevó a cabo un ajuste mediante el método Rietveld con para conocer la composición mineralógica desde el punto de vista cuantitativo y poder relacionarla con la composición química obtenida previamente en la sección 4.3.1. En la Figura 22 se muestran los ajustes realizados con el empleo del software TOPAS 3 (Bruker) y, en la Tabla 4, los datos obtenidos a partir de dicho ajuste, donde es posible observar el contenido en compuestos —tanto cristalinos como amorfos— presentes en este tipo de materiales. A la vista de los resultados de la Tabla 4, el contenido de calcita es superior en W-07, lo que se encuentra en consonancia con la diferente intensidad observada en ambos difractogramas para la línea principal de este compuesto (2 theta = 29.36º), de mayor intensidad en W-07. Además, se corroboran

los resultados del análisis químico (sección 4.3.1), en el que también se constataba un mayor contenido de CaO en el RCD que contiene únicamente un 20% de material cerámico (W-07). De forma análoga, la presencia de los máximos de difracción correspondientes a la basanita como fase cristalina en el difractograma de W-07 confirma la diferencia encontrada previamente en el contenido de SO3 (Tabla 2) entre ambos residuos. Cabe resaltar el contenido de SiO2, corroborado por diferentes métodos y técnicas. La cuantificación mediante rayos X junto con el contenido en sílice reactiva observada mediante el procedimiento descrito por la normativa española [102] confirman los datos de composición química procedentes de la fluorescencia de rayos X, y que para estos residuos se muestra en la Tabla 2.

Figura 22. Ajuste obtenido para W-04 y W-07 por método Rietveld.

Tabla 4. Estudio cuantitativo por DRX para W-04 y W-07 (% peso)

Fase Mineralógica

W-04

W-07

Cuarzo

18.81

16.76

Anortita

5.62

25.02

Illita

3.41

3.40

Ortoclasa

2.55

10.05

Calcita

0.77

8.03

Dolomita

2.34

3.68

Basanita

0.00

0.06

Hematite

2.32

0.80

64.19

32.20

Fase amorfa

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 35

4.4.2. Estudio morfológico La morfología de los residuos se determinó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) junto con análisis por energías dispersivas (EDX) para completar los estudios composicionales. Las imágenes correspondientes a W-04 y W-07 se reproducen en la Figura 23 (a y b respectivamente). Dichas imágenes muestran la poca uniformidad en la microestructura existente en este tipo de materiales.

Gracias a la microscopía electrónica es posible observar grandes cristales de cuarzo (Q) embebidos en una matriz de un tamaño más pequeño de partícula (Figura 24), que es el resultado de la diferente molturabilidad en este tipo de materiales. La elevada proporción de aluminio y potasio en estas matrices (Tabla 5) confirmarían la presencia de feldespatos (F) como anortita y ortoclasa, compuestos mineralógicos que han sido observados previamente mediante DRX (Figura 22), y a su vez observa-

Figura 23. Cal fijada (%) por los residuos con el tiempo.

Figura 24. Cristales de cuarzo presentes en la matriz de los RCD: W-04 (a) y W-07 (b)

Tabla 5. Composición química obtenida mediante EDX en los RCD* (% peso) W-04

W-07

SiO2

47.70 ± 0.35

40.20 ± 0.37

Al2O3

28.80 ± 0.99

23.80 ± 1.26

Fe2O3

6.50 ± 0.61

8.30 ± 0.48

MgO

3.80 ± 0.54

9.90 ± 1.11

CaO

8.20 ± 1.69

10.10 ± 2.08

Na2O

1.50 ± 0.55

1.70 ± 0.33

SO3

0.00 ± 0.02

1.80 ± 0.21

K2O

3.30 ± 1.34

4.00 ± 1.84

TiO2

0.10 ± 0.07

0.20 ± 0.06

* Los resultados y la desviación estándar han sido obtenido después de diez mediciones.

36 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

dos por otros autores en tejas cerámicas, materiales que también están basados en arcilla cocida [98].

4.4.3. Actividad puzolánica La Figura 25 muestra la fijación de cal con paso del tiempo para los dos residuos. En ambos casos, W-07 y W-04 muestran una elevada capacidad para fijar hidróxido cálcico con valores de hasta el 80 % y 95 % respectivamente después de 360 días de reacción. Estos resultados concuerdan con los valores encontrados para otras categorías de residuos y sub-productos industriales en investigaciones previas. De esta manera, Sánchez de Rojas y Frías [107] comparan la actividad puzolánica de varios tipos de humo de sílice y cenizas volantes, con la actividad puzolánica de la roca opalina, y obtienen valores de cal fijada de hasta el 90% después de noventa días de reacción, reactividad comparable a los RCD de base cerámica aquí estudiados.

Figura 25. Cal fijada (%) por W-04 y W-07 con el tiempo.

Los datos del presente trabajo de investigación son también comparables a los valores expuestos en la literatura para desechos de tejas y ladrillos cerámicos fabricados con arcilla cocida (Sánchez de Rojas et al. [95] y Lavat et al. [98]). El patrón de comportamiento observado para estos dos residuos recuerda al del metacaolín, el cual es capaz de fijar el 70 % de la cal disponible en los primeros siete días, y el 81% a los 28 días de reacción [108]. Además, la actividad puzolánica mostrada por los RCD se asemeja a la actividad de residuos agro-industriales altamente activos como el bagazo y la paja de la caña de azúcar (Frías et al. [74,76]) y hierba de elefante después de calcinar a temperaturas de 700 ºC (Nakanishi et al. [109]). La mayor diferencia entre el comportamiento de ambos residuos se observó a partir del séptimo día. La cinética de reacción se encuentra más afectada por la composición química y mineralógica a partir de dicho tiempo de reacción, lo que se relaciona con el elevado contenido en Al2O3 y Fe2O3 y la sílice reactiva detectada en W-04 mediante la metodología recogida en la normativa [102] y mostrada en la Tabla 2. Las técnicas de ATD/TG pueden servir para evaluar la reacción puzolánica en con arreglo a la pérdida de masa del residuo después de su reacción con el hidróxido cálcico. Como la deshidratación de la mayoría de las fases hidratadas formadas durante esta reacción, tiene lugar entre 50 y 300 ºC [74], es posible evaluar directamente la capacidad de los residuos de formar nuevos compuestos al ser las condiciones iniciales iguales en todos los casos. La Figura 26 muestra los diagramas de análisis térmico diferencial (ATD) de los residuos de partida recogidos en las plantas de reciclaje y para el mismo

Figura 26. Curvas de ATD de los residuos después de la reacción puzolánica: a) W-04 y b) W-07.

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 37

disolución saturada de cal. Finalmente, el efecto endotérmico más estrecho e intenso situado a temperaturas comprendidas entre 700 y 800 ºC se atribuye a la descomposición de los carbonatos presentes en los residuos. La Figura 27 muestra las variaciones de pérdida de masa después de la reacción puzolánica en función de los resultados de la termogravimetría (TG), y toma las pérdidas de masa de los materiales de partida como referencia. Los resultados de ambos residuos reflejan un incremento de la pérdida de masa con el tiempo de reacción a las temperaturas estudiadas. Este comportamiento puede asociarse con la formación de nuevos productos de hidratación generados por la reacción puzolánica. Además, las diferencias observadas entre los dos tipos de residuos (Figura 27) corroboran los resultados del ensayo químico acelerado de disolución saturada de cal donde W-04 es capaz de fijar mayor porcentaje de cal, prueba de su mayor actividad puzolánica. En otras palabras, la mayor actividad puzolánica está directamente relacionada con la pureza de los residuos, definida esta pureza en términos de contenido de material cerámico.

residuo después de haber reaccionado con la disolución saturada de cal durante 180 días (tiempo de reacción después del cual, la fijación de cal en el residuo alcanza un valor constante, ver Figura 25). La banda endotérmica centrada a temperaturas sobre 100 ºC se asocia con la deshidratación de la basanita así como con la presencia de illita [61, 110]. Los autores asocian los procesos endotérmicos en torno a los 150-180 ºC en las muestras de 180 días, con fases hidratadas como los geles C-S-H o aluminatos cálcicos hidratados [111, 112]. A temperaturas superiores (450 ºC), se observa una banda endotérmica ancha que puede asociarse con la eliminación del agua de composición tanto de los compuestos arcillosos como de la portlandita (Ca(OH)2) presente después de la reacción del residuo con la

4.5. Realización de mezclas con cemento Una vez caracterizados los residuos de partida W-04 y W-07 desde el punto de vista químico, mineralógico y morfológico, así como en base a sus propiedades puzolánicas, se procede a evaluar el comportamiento de estos residuos de base cerámica

Figura 27. Evolución de la pérdida de masa (%) con el tiempo de reacción (50-300 ºC).

Tabla 6. Nuevos cementos diseñados (% peso) Contenido CEM I (%)

Contenido RCD (%)

100

0

90

Cemento OPC W-04-10

10

80

W-07-10 W-04-20

20

70

W-07-20 W-04-30

30

W-07-30

Tabla 7. Composición química del cemento Óxido (%peso)

SiO2

Al2O3

Fe2O3

MnO

MgO

CaO

Na2O

SO3

K2O

TiO2

P2O5

PF*

OPC

20.00

6.03

2.57

0.03

1.75

59.63

0.56

3.90

1.49

0.15

0.15

3.26

PF*: Pérdida al fuego.

38 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

cuando se incorporan como adición puzolánica en el cemento. Con el fin de estudiar esta influencia, se diseñaron nuevos cementos con diferentes proporciones de sustitución (Tabla 6). Los cementos fabricados con estos residuos se caracterizaron técnicamente según la metodología descrita en la normativa vigente. Para la preparación de los nuevos cementos diseñados, se seleccionó un cemento de referencia tipo I sin adiciones, designado como CEM I 42.5R [45]. Su composición química se muestra en la Tabla 7, y se denominará a partir de ahora OPC. Para obtener una buena homogenización de los cementos mezcla, se procedió de forma mecánica mediante una túrbula de alta velocidad. Los cementos mezcla así obtenidos (Figura 28) se almacenaron en recipientes con sellado hermético, con el fin de evitar la humedad y el CO2 ambiental que puedan alterar su composición mediante reacciones parciales de hidratación y/o carbonatación.

4.6. Comportamiento de los cementos diseñados según la normativa europea vigente En el ámbito europeo, la norma encargada de regular la composición, especificaciones y criterios de conformidad de los 27 cementos comunes es la EN 197-1 [45]. Como ya se ha comentado, el objeto principal del trabajo de investigación recogido en la presente

memoria, es la valorización de residuos de construcción y demolición de base cerámica como adición puzolánica para la fabricación de cementos más ecológicos y sostenibles desde un punto de vista medioambiental, económico y técnico. Por tanto, será necesario que estos nuevos cementos cumplan con todas y cada una de las especificaciones recogidas en la normativa vigente.

4.6.1. Composición y designación de los nuevos cementos A la hora de designar y evaluar la idoneidad y requisitos que deben cumplir los nuevos cementos diseñados según la normativa europea, es importante tener en cuenta dos aspectos fundamentales: a) Los residuos de construcción y demolición, en un futuro podrían ser considerados como puzolanas naturales calcinadas en función de los resultados obtenidos concernientes a su composición química, mineralógica, así como las buenas condiciones en los que a fijación de cal se refieren. b) El cemento empleado como referencia, y al que se adicionan los RCD en distintos porcentajes, es un cemento sin adiciones tipo I, con una clase de resistencia 42.5R (CEM I 42.5R). De acuerdo con la Tabla 1 de la EN 197-1 [45], en la que se muestran los 27 productos de la familia de cementos comunes, y teniendo en cuenta los porcentajes de sustitución, la designación de los cementos con adición de RCD se presenta en la Tabla 8.

4.6.2. Requisitos químicos A tenor de la designación establecida para los nuevos cementos diseñados, estos deben cumplir con las exigencias químicas recogidas en la normativa europea en función del tipo de cemento, y que se estudiarán en todos los casos según la normativa europea vigente. Las propiedades químicas especificadas son:

Figura 28. Aspecto de los seis nuevos cementos diseñados.

a) Contenido de sulfatos y cloruros Atendiendo a la normativa vigente [113] y a las designaciones de los nuevos cementos diseñados, los contenidos de sulfatos y de cloruros obtenidos quedan reflejados en las Tablas 9 y 10 respectivamente.

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 39

Tabla 8. Designación de los nuevos cementos diseñados en base a la EN 197-1

Clínker (%)

RCD (%)

Componentes Minoritarios (%)

Cemento

Designación

95 - 100

0

0-5

OPC

CEM I

85 - 90

10

0-5

W-04-10

CEM II/A-Q

W-07-10 W-04-20

75 - 80

20

0-5 W-07-20

W-04-30 65 - 70

30

0-5 W-07-30

CEM II/A-Q CEM IV/A CEM II/A-Q CEM IV/A CEM II/A-Q CEM IV/A CEM II/A-Q CEM IV/A

Tabla 9. Contenido de sulfatos (SO3) en los nuevos cementos diseñados

Ensayo de referencia

EN 196-2

Cemento

Valor experimental (%)

OPC

3.35 ± 0.01

W-04-10

3.26 ± 0.01

W-07-10

3.20 ± 0.01

W-04-20

3.09 ± 0.01

W-07-20

3.11 ± 0.01

W-04-30

2.75± 0.01

W-07-30

2.27 ± 0.01

Exigencia norma (%)

≤ 4.00

Tabla 10. Contenido de cloruros en los nuevos cementos diseñados

Ensayo de referencia

EN 196-2

Cemento

Valor experimental (%)

OPC

0.006 ± 0.001

W-04-10

0.008 ± 0.001

W-07-10

0.010 ± 0.001

W-04-20

0.011 ± 0.001

W-07-20

0.006 ± 0.001

W-04-30

0.009 ± 0.001

W-07-30

0.010 ± 0.001

Exigencia norma (%)

≤ 0.100

40 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

A la vista de los resultados expuestos en las Tablas 9 y 10, para todos los casos, el contenido tanto de sulfatos como de cloruros, se encuentran por debajo de los valores establecidos por la normativa. Además, se observa, por un lado, que el contenido de SO3 disminuye a medida que el porcentaje de sustitución del cemento por RCD aumenta, como consecuencia de que el RCD incorporado contiene menor contenido de SO3 que el cemento de partida. Por otro lado, el contenido de Cl– se ve incrementado con el aumento del porcentaje de RCD, aunque en ninguno de los casos este contenido sobrepasa los límites establecidos por la norma [45]. b) Puzolanicidad de los cementos El ensayo de puzolanicidad de los cementos, se llevó a cabo siguiendo la metodología recogida en la normativa europea [99]. Es importante comentar que el objeto y campo de aplicación del ensayo de puzolanicidad, va dirigido a aquellos cementos que, en concordancia con la EN 197-1, adquieren la designación de cementos puzolánicos (CEM IV). Así, la evaluación de la puzolanicidad se llevó a cabo en: W-04-20, W-04-30, W-0720 y W-07-30 porque, debido al carácter del residuo y al porcentaje de sustitución, podrían ser denominados cementos puzolánicos [45]. En la Figura 29 se representan gráficamente los resultados del ensayo de puzolanicidad para los cuatro cementos a ocho y quince días, además de los resultados correspondientes al cemento sin adición (empleado como referencia), así como la isoterma de solubilidad del óxido de calcio a una temperatura de 40 ºC, de acuerdo con la metodología de ensayo establecida. Según la EN 197-1 [45], para que un cemento sea puzolánico, debe cumplir con el ensayo de puzolanicidad, es decir, que el punto obtenido tras la valoración de los iones calcio y los iones hidroxilo se encuentre por debajo de la curva de concentración de saturación del óxido de calcio, para un tiempo de reacción de ocho días, en caso contrario, el ensayo puede realizarse a los quince días. De esta manera, a la vista de los resultados en la Figura 29, tal y como se esperaba, el OPC se encuentra por encima de la isoterma para ambos

tiempos de reacción, con lo que se confirma que no es un cemento puzolánico y que ha sido ensayado únicamente como referencia. Por otro lado, se observa que en los cementos elaborados con RCD procedente de la planta de reciclado de Madrid (W-07) no se cumple el ensayo, debido a que se encuentran por encima de la isoterma de solubilidad del óxido de calcio tras quince días de reacción, mientras que el cemento sustituido por el RCD procedente de la planta de León (W-04), los cementos obtenidos cumplen el ensayo ya a los ocho días. Estos resultados, muestran, como la puzolanicidad de los cementos, va a depender de dos factores: a) El primero, de la propia actividad puzolánica de los residuos por sí mismos, que se ha estudiado en el apartado 4.3.3 [114117]. Esta actividad puzolánica depende directamente, para el caso de los RCD de base cerámica, del contenido de material cerámico en los mismos, así como de su composición mineralógica, cuyo contenido en sílice amorfa es fundamental y, finalmente, de su composición química, en la que la presencia de óxidos de carácter ácido como SiO2, Al2O3 y Fe2O3 tienen un papel determinante. b) El segundo, el porcentaje de sustitución de cemento por la adición puzolánica, independientemente de la actividad puzolánica que posea el residuo incorporado per se. A mayor porcentaje de incorporación de materiales activos, más puzolánico va a ser el nuevo cemento obtenido, lo que

Figura 29. Ensayo de puzolanicidad para el OPC y los cuatro nuevos cementos puzolánicos para tiempos de reacción de ocho y quince días

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 41

viene determinado por la capacidad que tiene el material de fijar la portlandita que el cemento genera durante la hidratación. Esto se refleja directamente en la Figura 29: cuanto mayor es el contenido en RCD empleado como puzolana, más cerca se encuentran los cementos de la isoterma de solubilidad del CaO, para el caso de cementos no puzolánicos o por debajo y más alejados de esta curva para el caso de cementos puzolánicos.

4.6.3. Requisitos físicos y mecánicos a. Estudio en pastas de cemento • Agua de consistencia normal Es necesario tener en cuenta que cada una de las pastas amasadas tiene una resistencia especificada a la penetración de una sonda normalizada, y que esta penetración va a depender de la cantidad de agua empleada para el amasado de la pasta. El agua necesaria es la denominada agua de consistencia normal, y fue determinada siguiendo la metodología recogida en la normativa [118]. En la Tabla 10 queda reflejado el agua de consistencia normal para cada uno de los nuevos cementos diseñados, así como para el cemento empleado como referencia. Así mismo, en la misma tabla, en la última columna se muestra la relación existente, expresada en valores porcentuales, entre el agua de consistencia normal necesaria para los nuevos cementos diseñados y la correspondiente al cemento de referencia, con el fin de evaluar la influencia que tiene la adición de residuos de construcción y demolición en esta propiedad física.

A la vista de los resultados expuestos en la Tabla 10, se puede observar que los cementos con RCD presentan contenidos de agua de consistencia normal superiores a la requerida por el cemento de referencia. Este incremento está directamente relacionado con la incorporación de RCD en diferentes porcentajes (10-30%), los cuales presentan una naturaleza arcillosa, y una finura superior a la del cemento. De forma general, los materiales con mayor finura experimentan una mayor absorción de agua, con lo que los resultados obtenidos son coherentes con los mostrados por otros autores [119-122]. En la Figura 30 se muestra las relaciones agua / cemento (w/c) calculadas en función del agua de consistencia normal obtenida para los nuevos cementos. La tendencia en la evolución de las relaciones w/c para los cementos donde se incorporan W-04 y W-07 se puede ajustar a ecuaciones de primer grado. En la Figura 30 se muestran tanto las ecuaciones como las bondades de los ajustes.

Figura 30. Evolución en las relaciones w/c para los cementos fabricados con W-04 y W-07, a medida que se incrementa el % de RCD en el cemento

Tabla 11. Agua de consistencia normal para el cemento de referencia y los cementos diseñados Ensayo de referencia

EN 196-3

Cemento

Valor experimental (g)

Incremento (%)

OPC

136.0 ± 0.1

0

W-04-10

138.0 ± 0.1

1

W-04-20

140.0 ± 0.1

3

W-04-30

145.0 ± 0.1

6

W-07-10

141.0 ± 0.1

4

W-07-20

143.0 ± 0.1

5

W-07-30

148.0 ± 0.1

9

42 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

• Tiempos de inicio y final de fraguado En el estudio del fraguado, tanto el tiempo de inicio como el de final, se llevó a cabo mediante la metodología recogida en la normativa [118], y van a estar relacionados con el agua de consistencia normal requerida por cada uno de los cementos y, por tanto, como se ha visto en el apartado anterior, estará directamente relacionado con el tipo de cemento objeto de estudio. En la Tabla 12, se presentan los datos obtenidos en el estudio de los tiempos inicial y final de fraguado para los diferentes cementos analizados, así como el valor que deben cumplir los cementos en función de su designación y, por tanto, a lo establecido por la normativa europea vigente [45]. Los resultados expuestos en la Tabla 12 muestran que la incorporación de RCD como adición puzolánica en el cemento provoca una aceleración tanto en los tiempos de inicio de fraguado como de final de fraguado, de la misma manera que otros autores han mostrado para otras adiciones empleadas, como por ejemplo humo de sílice, cenizas volantes

y de caldera así como puzolanas naturales [81, 123, 124]. La mayor aceleración del inicio de fraguado para los cementos en los que se incorpora W-07 con respecto a los que incorporan el residuo W-04 está relacionada con el mayor contenido de carbonatos en el W-07 (apartado 4.4.1). La presencia de carbonatos puede provocar un incremento en la velocidad de las reacciones a primeras edades entre los estos compuestos y las fases de aluminatos del cemento [126, 127]. • Estabilidad de volumen Mediante la observación del desplazamiento relativo de dos agujas (agujas de Le Chatelier), se evalúa la expansión volumétrica experimentada por pastas de cemento amasadas con el agua de consistencia normal y según la metodología recogida en la normativa europea [118]. En la Tabla 13 se muestran los resultados correspondientes a la expansión de volumen experimentados por el cemento de referencia y por los nuevos cementos diseñados a

Tabla 12. Tiempos de inicio y final de fraguado para los cementos estudiados Ensayo de referencia

Valor experimental (min)

Cemento

Inicio fraguado

EN 196-3

Exigencias normativa (min)

Final fraguado

OPC

160

195

W-04-10

100

165

W-04-20

100

143

W-04-30

90

150

W-07-10

150

207

W-07-20

148

210

W-07-30

145

201

Inicio fraguado

≥ 60

Tabla 13. Estabilidad de volumen obtenida tras el ensayo de agujas de expansión Ensayo de referencia

EN 196-3

Cemento

Valor experimental (mm)

OPC

0±1

W-04-10

0±1

W-04-20

0±1

W-04-30

0±1

W-07-10

0±1

W-07-20

0±1

W-07-30

0±1

Exigencias normativa (mm)

≤ 10

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 43

partir de la incorporación de RCD. A la vista de los resultados expuestos en la Tabla 13, ninguno de los seis nuevos cementos diseñados ha experimentado variaciones de volumen tras la realización del ensayo, con lo que se cumple con las especificaciones recogidas en la EN 197-1, la cual limita la expansión para todos los cementos a valores inferiores a 10 mm. b. Estudio en morteros • Escurrimiento La determinación del escurrimiento [128] se llevó a cabo en morteros amasados tanto con el cemento de referencia como con los nuevos cementos diseñados, de acuerdo con la normativa [129] y, por tanto, con una relación agua / cemento constante e igual a 0.5 y la correspondiente relación arena / cemento igual a 3. De esta manera se valora una propiedad física de los morteros, que define la manejabilidad o trabajabilidad de los mismos cuando la cantidad de agua de amasado es constante. En la Tabla 14 se muestran los valores obtenidos para los siete morteros estudiados. La evolución de los escurrimientos para la incorporación de ambos residuos a medida que el porcentaje de sustitución de OPC aumenta, se representa en la Figura 31. A la vista de los resultados, los escurrimientos obtenidos siguen una tendencia normal, disminuyendo a medida que el porcentaje de incorporación de RCD aumenta en el cemento, ajustándose a ecuaciones de segundo grado (mostradas en la figura) y corroborando los

resultados obtenidos para el agua de consistencia normal, donde para conseguir una misma consistencia, los cementos que incorporan RCD demandan más agua que el cemento de referencia. Este comportamiento es debido a que, para relaciones w/c constantes (0.5), los cementos con adición se caracterizan por contener mayor agua de consistencia normal, por lo que dan lugar a menores escurrimientos observados. A pesar de obtener valores de escurrimiento diferentes, la trabajabilidad de todos los morteros es adecuada, siendo factible, por tanto, en todos los casos, su aplicación y puesta en obra. • Estudio de resistencias mecánicas La principal característica mecánica, sujeta al cumplimiento de la normativa europea [45], es la resistencia a compresión (evaluada

Figura 31. Evolución en los escurrimientos para los cementos fabricados con W1 y W2, con la variación en la incorporación de RCD.

Tabla 14. Escurrimientos obtenidos para los morteros amasados con los nuevos cementos diseñados

Ensayo de referencia

UNE 83811

Cemento

Valor experimental (mm)

OPC

168.25 ± 0.01

W-04-10

157.25 ± 0.01

W-04-20

152.25 ± 0.01

W-04-30

149.50 ± 0.01

W-07-10

154.25 ± 0.01

W-07-20

149.75 ± 0.01

W-07-30

146.75 ± 0.01

44 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

según la normativa europea) [129], puesto que los materiales con base de cemento, de forma genérica, ofrecen mayor resistencia a dichas solicitaciones en relación a los esfuerzos de flexión y tracción. La evolución de las resistencias mecánicas a compresión con el paso del tiempo de hidratación quedan reflejadas en las Figuras 32 y 33. En dichas figuras se muestran las resistencias mecánicas alcanzadas por todos los morteros amasados con los cementos que incorporan W-04 y W-07 respectivamente. Se representa el porcentaje de resistencia mecánica a compresión en comparación con la resistencia mostrada por el mortero de referencia (considerado como el 100% y representado por línea de puntos). Al evaluar los morteros con adición de RCD en comparación con el mortero de referencia se pone de manifiesto la importancia que la naturaleza de la adición puzolánica que se incorpore al cemento posee sobre las resistencias mecánicas alcanzadas.

Figura 32. Resistencias a compresión para los morteros con 10, 20 y 30% de W-04.

Figura 33. Resistencias a compresión para los morteros con 10, 20 y 30% de W-07.

De esta manera, la incorporación de residuos con menor actividad puzolánica (W-07) da lugar en todos los casos a una disminución de las resistencias mecánicas alcanzadas con respecto a las obtenidas para el mortero de referencia. Este es el motivo por el cual no es hasta un tiempo de curado de noventa días cuando la reacción puzolánica que tiene lugar entre el RCD y la portlandita liberada durante la hidratación del cemento es capaz de compensar la pérdida de resistencia debida a la retirada de cemento. Por el contrario, la incorporación de W-04 (que tiene mayor actividad puzolánica) da lugar a mayores resistencias a compresión en comparación con las alcanzadas por el mortero de referencia cuando se incorpora un pequeño porcentaje de RCD (10%). Con la incorporación de mayores proporciones (20 y 30%), se produce una disminución de la resistencia mecánica con respecto al mortero de referencia, pero en ninguno de los casos la resistencia perdida es equivalente a la proporción de cemento sustituido por el RCD. Incluso después de un año de hidratación, las resistencias alcanzadas por todos los morteros con adición son superiores a las desarrolladas por el mortero de referencia. A la vista de las Figuras 32 y 33, se puede observar que la adición de diferentes residuos afecta de forma diferente al comportamiento mecánico de los morteros. Dos son los factores a tener en cuenta a la hora de evaluar la resistencia a la compresión en morteros fabricados con adición: • El primer factor es el efecto de la sustitución, por el que las resistencias mecánicas pueden disminuir, habida cuenta de que las mezclas incorporan menores cantidades de cemento. Este factor resulta fácilmente evaluable, pues en el caso de que sea predominante y la adición incorporada no afecte a la resistencia de los morteros, las resistencias deberían disminuir en la misma proporción que lo hace el contenido de cemento (10, 20 o 30%). • El segundo factor es el efecto de la reacción puzolánica, pues este tipo de adiciones son capaces de reaccionar con el hidróxido cálcico liberado durante la hidratación del propio cemento portland, lo que da lugar a productos de hidratación con propiedades conglomerantes. Ambos efectos coexisten y alcanzan un equilibrio entre la disminución de las resistencias, habida cuenta del menor contenido en cemento así como del aumento de resistencias por la formación de

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 45

nuevos productos de hidratación que resultan de la reacción puzolánica. Es importante considerar, pues, tanto el tipo de adición como la proporción de la sustitución. En las Figuras 32 y 33 ha quedado reflejada la influencia de la proporción de la sustitución en el cemento en las resistencias mecánicas de los morteros: a mayor incorporación de RCD, menores resistencias mecánicas. Para mostrar de una forma más clara la influencia que tiene la naturaleza del material incorporado, en la Figura 34 se representan las resistencias a compresión (expresadas como porcentaje respecto al OPC) de ambos residuos. Los datos que se muestran corresponden a las resistencias mecánicas después de veintiocho días de curado, a modo de ejemplo del comportamiento de estos morteros y por encontrarse este tiempo de curado recogido en la normativa. A partir de la representación mostrada en la Figura 34, queda perfectamente reflejado el efecto de la reacción puzolánica en el comportamiento mecánico.

Figura 34. Resistencias a compresión para morteros con W-04 y W-07.

Figura 35. Resistencias a compresión del mortero de referencia y de los morteros con 10, 20 y 30% a dos días de curado.

Cuanto mayor es la fijación de portlandita por el RCD (mayor actividad puzolánica), mayor es la formación de productos de hidratación con propiedades conglomerantes y que, por consiguiente, resistencias mecánicas más elevadas. Una vez comprobada la influencia de la naturaleza de los residuos así como las proporciones en los que estos se incroporan, se evaluó la conformidad con la normativa [45] de estos cementos en cuanto a requerimientos mecánicos se refiere. Para este propósito, y debido a la elección del cemento de referencia empleado (CEM I 42.5R), se tuvieron en cuenta las resistencias a compresión tanto a dos días (resistencias iniciales) como a veintiocho días (resistencia normal) según la normativa vigente, así como el punto en el que se establecen unos límites mínimos y máximos admisibles. En las Figuras 35 y 36 se representan las resistencias a la compresión de los morteros fabricados con los nuevos cementos diseñados, y comparados con el mortero de referencia, para las edades de dos y ventiocho días respectivamente. En ambas representaciones, en línea discontinua, se muestran los límites establecidos por la EN 197-1. A la vista de las figuras, se puede establecer que, de los seis nuevos cementos diseñados, únicamente el W-07-30 no cumple con las especificaciones establecidas por la norma, por lo que queda excluido para ambas edades de curado. De esta manera, la designación de este nuevo cemento variaría ligeramente respecto a lo establecido anteriormente (apartado 4.6.1). La nueva designación de W-04-30 afectaría únicamente a la clase de resistencia en la que, atendiendo a la EN 197-1 y teniendo en cuenta las resistencias obtenidas tras el ensayo mecánico de compresión, la nueva clase de resistencia pasaría de 42.5R a 32.5R, puesto que

Figura 36. Resistencias a compresión del mortero d e referencia y de los morteros con 10, 20 y 30% a veintiocho días de curado.

46 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

no alcanza la resistencia de 42.5 MPa para un tiempo de curado de veintiocho días, y debe catalogarse como 32.5, con lo que así se reduce la resistencia a la compresión exigida por la normativa, para un tiempo de curado de dos días. La nueva designación de este cemento, conlleva unas nuevas especificaciones en cuanto a los tiempos de fraguado, donde para estos casos, el tiempo de inicio de fraguado, debe ser superior a setenta y cinco minutos, además, el límite en el contenido en sulfatos de un cemento con una clase de resistencia de 32.5R, se reduce a 3.5%. Tal y como se ha expuesto anteriormente en los apartados 4.6.2 y 4.6.3, dicho cemento no tendría ningún problema a la hora de cumplir los nuevos requisitos físicos y químicos si se modifica su clase de resistencia.

4.7. Durabilidad de los cementos diseñados frente al ataque por sulfatos Una vez estudiada la viabilidad del empleo de los RCD como materiales puzolánicos y evaluada la conformidad de los nuevos cementos con la normativa europea vigente [45], se investiga la influencia de la incorporación de RCD (W-04) en la durabilidad de pastas de cemento cuando estas se encuentran sometidas a un ataque por sulfato sódico.

La metodología seguida para este estudio es la desarrollada por Köch y Steinegger en el año 1960 [100], y que ha sido explicada previamente (apartado 3.2.2). Los cementos objeto de estudio son W-04-30 y OPC, empleado este último como referencia.

4.7.1. Análisis por DRX Los difractogramas correspondientes al OPC y al W-04-30 de la Figura 37 respectivamente muestran los cambios en las fases hidratadas con el aumento de la concentración de sulfato sódico en la disolución después de estar inmersos en una disolución de Na2SO4 durante cincuenta y seis días. Las fases cristalinas mayoritarias identificadas son etringita, monocarboaluminato, portlandita y calcita, así como los compuestos propios del cemento anhidro como son la alita, belita y fase ferrítica. El cuarzo, identificado solo en la Figura 37(b), procede del 30% de RCD incorporado en el cemento [117]. Dichos compuestos mineralógicos presentes en las pastas de cemento junto con las líneas de difracción más significativas se recogen en la Tabla 15. En los difractogramas correspondientes al OPC, la intensidad de las líneas de difracción de la etringita aumenta mientras que las correspondien-

Figura 37. Difractogramas para (a) OPC y (b) W-04-30 después de inmersión en Na2SO4 durante cincuenta y seis días (E: etringita, P: portlandita, C: calcita, Q: cuarzo, M: monocarboaluminato, F: fase ferrítica, A: alita, B: belita).

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 47

tes al monocarboaluminato y a la portlandita disminuyen a medida que aumenta la concentración de sulfato. Estos hallazgos se encuentran en consonancia con las investigaciones llevadas a cabo por Goñi et al. [130] en cementos ternarios, en los cuales se observa que la etringita formada por el ataque de los sulfatos, lo hace a partir del monocarboaluminato y portlandita disueltos. Las intensidades correspondientes a las líneas de difracción de la etringita, portlandita y monocarboaluminato presentes en W-04-30 no presentan variación a medida que la concentración de sulfatos aumenta [Figura 37(b)]. La ausencia de líneas de difracción correspondientes al yeso sugiere que, debido a la elevada concentración de sulfatos en el medio, la portlandita reacciona con estos iones para formar etringita, el producto final de la reacción, en vez de yeso, el producto intermedio observado por Hekal et al. [131]. De acuerdo con los hallazgos de estos autores, la etringita se genera cuando el yeso reacciona con el monosulfoaluminato o el aluminato de calcio hidratado. Brown y Badger [132] describieron que el yeso, a su vez, se forma por la reacción de la portlandita y los sulfatos presentes en la disolución.

descartó el efecto de dilución como única explicación para esa disminución [133] y, por tanto, sería necesaria la presencia de un segundo efecto. Dicho efecto se relacionó con la reacción entre la portlandita y el material puzolánico y con los resultantes productos de hidratación [133, 134]. A la vista de la Figura 39, el contenido de portlandita varía de forma esperada: cuanto mayor es la concentración de sulfate sódico, menor es el contenido de dicho producto de hidratación en las pastas de OPC y de W-04-30. La disminución en el contenido de portlandita más acusada en el cemento sin adición en comparación con el nuevo cemento diseñado a base de RCD puede estar relacionada con la formación de menores cantidades de compuestos basados en sulfatos en este último. No se observan diferencias significativas en el contenido de portlandita en las pastas W-04-30 cuando la concentración de sulfatos se ve incrementada de 0.5 a 1 M, con lo que se corroboran los resultados observados mediante difracción de rayos X.

4.7.3. Análisis por FT-IR 4.7.2. Análisis por ATD El análisis térmico diferencial (Figura 38) revela que las pastas amasadas con W-04-30 contienen un 37% menos de portlandita después de cincuenta y seis días inmersas en agua destilada, en comparación con las probetas amasadas con el OPC (resultados obtenidos a partir de la termogravimetría). Como la diferencia es superior al porcentaje de sustitución de cemento por material puzolánico, se

Los espectros de infrarrojo para OPC y W-04-30 después de inmersión durante cincuenta y seis días en diferentes concentraciones de sulfato sódico en disolución se reproducen en la Figura 40. Las bandas a 1120, 3420 y 3635 cm-1 se asocian con las tensiones asimétricas características de los enlaces S-O en los grupos SO42-, lo que denota la presencia de etringita [135]. En la Figura 41 se muestra una ampliación del espectro correspondiente al rango comprendido entre 1200 y 800 cm-1,

Tabla 15. Información sobre compuestos mineralógicos presentes en las pastas de cemento Compuesto mineralógico

Fórmula química

Código ICSD

Líneas de difracción (2theta/º)

Cuarzo

SiO2

067121

20.86

26.64

50.13

Calcita

CaCO3

040112

29.36

47.37

48.46

Etringita

3CaSO4.3CaO Al2O3.32H2O

016045

9.06

15.73

22.87

Monocarboaluminato

Ca4Al2(OH)2(CO3) (H2O)5

059327

11.68

23.51

35.60

Portlandita

Ca(OH)2

064951

34.10

47.12

50.81

Alita

3CaO.SiO2

162744

32.07

34.29

41.15

Belita

2CaO.SiO2

079551

32.05

32.17

32.61

Fase Ferrítica

4CaO.Al2O3.Fe2O3

009197

12.20

33.88

50.23

48 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

que facilita la visualización de la banda centrada a 1120 cm-1 indicativa de los cambios en la formación de etringita. La etringita está claramente presente en las pastas de OPC después de cincuenta y seis días de inmersión [Figura 41(a)]. Cuanto mayor es la concentración de sulfato, más intensa es la banda de etringita. Por el contrario, aun denotándose la presencia de etringita en las probetas amasadas con W-04-30, las bandas encontradas son más anchas y menos intensas (Figura 41(b)). La diferencia en la intensidad se refleja en la Figura 42, en la que se compara la banda de etringita en las pastas de OPC y W-04-30 después de cincuenta y seis días sumergidas en la disolución más concentrada de sulfato sódico (1 M).

Figura 38. Análisis térmico diferencial para OPC y W-04-30 después de cincuenta y seis días de inmersión en agua destilada.

4.7.4. Estudio de las pastas de cemento por SEM Las diferencias en el tamaño de las placas de portlandita que se encuentran en el interior de los poros de las dos pastas de cemento después de estar sumergidas cincuenta y seis días en agua destilada se muestran en las micrografías de la Figura 43. Estas imágenes son coherentes con los resultados encontrados mediante el empleo del análisis térmico diferencial, en el que se observa que la incorporación de una adición puzolánica (RCD) favorece la reacción puzolánica y, por tanto, el consumo de parte de la portlandita formada durante la hidratación del cemento [136], con lo que se reduce el tamaño de las placas y se producen nuevos productos de hidratación.

Figura 39. Contenido de portlandita (%)* en OPC y W-04-30 vs concentración de Na2SO4 * Resultados obtenidos a partir de la termogravimetría

Figura 40. Espectros de FT-IR para (a) OPC y (b) W-04-30 después de cincuenta y seis días en diferentes concentraciones de Na2SO4

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS 49

Figura 41. Banda de etringita en (a) OPC y (b) W-04-30.

La etringita formada en los cementos después de cincuenta y seis días de inmersión en disoluciones de sulfato sódico de 0.5 y 1 M, se muestra en la Figura 44. Se encontró más etringita en las pastas preparadas con el cemento de referencia [Figura 44(a) y 44(b)] que cuando se sustituye un 30% de cemento por RCD [Figura 44(c) y 44(d)] inmersas en las disoluciones de sulfato sódico de 0.5 y 1 M respectivamente Además, la posición de las agujas de etringita en el interior de los poros y su proximidad a las placas de portlandita es coherente con el mecanismo de formación de este producto de hidratación previamente mencionado [130, 134].

4.7.5. Cambios en las probetas con el tiempo de inmersión

Figura 42. Banda de etringita (1120 cm-1) en probetas de OPC y W-04-30 sumergidas en disolución Na2SO4 1M.

Las probetas sumergidas en ambas concentraciones de sulfato sódico se pesaron para cada uno de los tiempos de ensayo antes de evaluar su comportamiento mecánico (Figura 45). Las probetas de OPC muestran mayor ganancia de peso que las probetas amasadas con W-04-30 para ambas concentraciones.

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pecto visual de las probetas tras cincuenta y seis días de inmersión (Figura 46) es posible observar cómo, independientemente de la concentración de sulfatos en la disolución, solo en las pastas fabricadas con OPC se observan grietas y fisuras en aristas y vértices de las probetas [Figura 46(a)], mientras que las amasadas con W-04-30 permanecen intactas tras cincuenta y seis días de ataque [Figura 46(b)].

Figura 43. Placas de portlandita en (a) OPC y (b) W-04-30.

Figura 44. Agujas de etringita rellenando poros en (a, b) OPC y (c, d) W-04-30.

Estos hallazgos pueden atribuirse a la formación de una mayor cantidad de nuevos compuestos en OPC durante la exposición de las probetas a la disolución de sulfato sódico [136, 137], lo que resulta, además, coherente con los menores contenidos de portlandita en W-04-30 determinados anteriormente por otras técnicas, y así poner de manifiesto que la portlandita es el producto de hidratación que reacciona para formar la etringita detectada mediante DRX, FTIR y SEM.

La ganancia de peso fue mayor tanto para las probetas de OPC como de W-04-30 después de la inmersión en la disolución más concentrada debido a la disponibilidad de estos iones para reaccionar con la portlandita presente en la pasta, con lo que se obtienen productos de hidratación de mayor peso molecular [136]. No solo se observó en OPC un mayor aumento en la masa de las probetas tras su inmersión en las disoluciones de sulfato sódico tras cincuenta y seis días, sino que al evaluar la evolución del as-

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Estos hallazgos macroscópicos son indicativos de cómo los productos expansivos que se forman durante la reacción que tiene lugar entre la portlandita y los sulfatos presentes en la disolución puede afectar posteriormente a la durabilidad de los sistemas que contengan este tipo de cementos [46, 138, 139].

4.7.6. Porosidad En la Figura 47 se representa la evolución de la porosidad total de las pastas de cemento amasadas con OPC y W-04-30 respecto a la concentración externa de sulfato sódico después de cincuenta y seis días de inmersión. La porosidad total es inferior en las matrices cementantes después de la exposición a la disolución de sulfatos con respecto a la inmersión en agua destilada. Así mismo, no se observaron diferencias significativas en la porosidad total cuando la concentración de sulfatos aumenta de 0.5 a 1 M. En el presente trabajo, y en términos de porosidad total, se considera que es para concentraciones

Figura 45. Ganancia de peso (%) de las probetas de OPC y W-04-30 vs tiempo de inmersión en disoluciones de Na2SO4.

Figura 46. Aspecto visual de las probetas de OPC (a) y W0430 (b) después de ataque durante cincuenta y seis días.

de 0.5 M cuando el refinamiento poroso de las pastas de cemento tiene lugar. Independientemente de la concentración de sulfato sódico, la porosidad total en las pastas amasadas con W-04-30 en comparación con las pastas de cemento de referencia (Figura 47). Estas diferencias se corresponden con un mayor contenido de poros de menor tamaño. Existen diversas clasificaciones respecto a los tamaños de poro. Así, la IUPAC [140] clasifica los tamaños de poro en microporos (< 2 nm), mesoporos (2-50 nm) y macroporos (> 50 nm). Metha et al. [141] profundizan en la clasificación al incluir en la misma poros interlaminares o de gel, poros capilares (tanto debidos a relaciones w/c elevadas como bajas) y poros superiores a 50 µm. Mindess et al. [142] amplían la clasificación y profundizan en las propiedades de las pastas afectadas. Frías y Goñi [143] clasifican los poros en cuatro grupos: los diámetros de poro superiores a 1 µm, los comprendidos entre 1-0.1 µm, entre 0.1-0.01 µm y con diámetros inferiores a 0.01 µm. En el presente trabajo de investigación se cree conveniente agrupar los tamaños en dos grupos: el correspondiente a tamaños inferiores a 0.01 µm y el que abarca tamaños de poro superiores a dicho valor (véase figura 48). Los diámetros medios de poro reflejados en la Tabla 16 muestran un refinamiento de la red porosa en las matrices cementantes que resulta más apreciable en los cementos que contienen RCD como adición. La Figura 49 muestra la distribución de tamaño para las pastas de OPC y W-04-30 después de cincuenta y seis días de inmersión en disoluciones de sulfato sódico (0.5 y 1 M). Se observa un refinamiento de la estructura porosa con el incremento de la concentración en la disolución. Además, la

Figura 47. Porosidad total de pastas de cemento después de cincuenta y seis días de ataque.

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flexotracción (véase Tabla 17) de las probetas según la Ecuación 1:

Ecuación 1. Ecuación 1. Cálculo del índice de corrosión (I.C.) Fss: Resistencia flexotracción después de cincuenta y seis días en disolución de sulfato sódico Fsw: Resistencia flexotracción después de cincuenta y seis días en agua destilada)

Los índices de corrosión a cincuenta y seis días para OPC y W-04-30 para las concentraciones de sulfato sódico (0.0, 0.5 y 1.0 M) se muestran en la Figura 50.

Figura 48. Evolución % poros con tamaños < 0.01 µm (a) y > 0.01 µm (b).

incorporación del RCD en el cemento como adición puzolánica provoca un desplazamiento en las curvas de distribución hacia tamaños inferiores de poro de tal como se muestra en la Tabla 16. Este hecho es coherente con los resultados mostrados por Goñi et al. para la durabilidad de cementos ternarios preparados con lodos de papel y ceniza volante [130], y también por Sánchez de Rojas et al., quienes estudiaron la incorporación en el cemento de desechos de material cerámico procedentes de la industria cerámica española [101].

4.7.7. Resistencia a los sulfatos En este estudio, la resistencia a los sulfatos se midió mediante el procedimiento de Köch-Steinegger [100], es decir, en términos de índice de corrosión obtenido a partir de la resistencia a

Figura 49. Comparación del diámetro de poro de pastas de OPC (a) y W-04-30 (b) después de cincuenta y seis días de inmersión en sulfato sódico (0.5 y 1 M).

Tabla 16. Evolución % poros con tamaños < 0.01 µm (a) y > 0.01 µm (b). Concentración de sulfato (M)

0.0

0.5

1.0

OPC

0.0486

0.0469

0.0376

W-04-30

0.0332

0.0305

0.0298

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Tabla 17. Valores de resistencias a flexotracción de las probetas después de cincuenta y seis días de ataque Concentración de sulfato (M)

0.0

0.5

1.0

OPC

7.92 ± 0.73

15.69 ± 1.49

13.68 ± 0.71

W-04-30

5.45 ± 1.10

13.24 ± 1.08

15.77 ± 0.84

indica que el reemplazo de cemento (y por tanto reducción en el empleo de clínker) por materiales puzolánicos procedentes de RCD mejora la durabilidad de las pastas de cemento.

4.8. Desarrollo de patente

Figura 50. Índices de corrosión (Fss/Fsw) para pastas de OPC y W-04-30 después de cincuenta y seis días de ataque.

Se obtuvieron índices de corrosión superiores para las pastas de cemento que incorporan un 30% de RCD en el cemento para todas las concentraciones. La Figura 50 también muestra cómo los índices de corrosión se encuentran por encima del valor de 0.7, necesario para que los cementos puedan ser considerados como resistentes a sulfatos [99]. Esta mejora en el comportamiento mecánico se puede atribuir al refinamiento de los sistemas porosos en las matrices cementantes. En el OPC, el índice para la concentración de 0.5 M es superior al encontrado después de la inmersión de las probetas en la disolución de 1 M, momento en el cual las prestaciones mecánicas comienzan a decaer. En el cemento con adición, por el contrario, las prestaciones mecánicas no se ven afectadas. Por ese motivo, los índices de corrosión son superiores a los del cemento de referencia. Esos resultados son comparables a los mostrados por Sánchez de Rojas et al. [101], quienes observaron cómo pastas de cemento con un 20% de residuos de base cerámica desarrollaban mayores resistencias mecánicas en comparación con el OPC debido a que la adición puzolánica confería una mayor flexibilidad y elasticidad [56]. El análisis de las resistencias mecánicas a flexotracción y los índices de corrosión para los cementos después de su inmersión en disoluciones con diferentes concentraciones de sulfato sódico

Durante el desarrollo de las investigaciones expuestas en la presente monografía, se han llevado a cabo estudios sobre la viabilidad del empleo de RCD de origen cerámico como puzolanas alternativas en la fabricación de cementos, buscando una mayor sostenibilidad en el sector de la construcción. A partir de las propiedades químicas, mineralógicas y de actividad puzolánica de los residuos y su incorporación en el cemento, se ha evaluado la conformidad con la normativa europea de los nuevos cementos diseñados, así como su durabilidad frente a agentes agresivos (disoluciones de sulfato sódico). Los buenos resultados obtenidos junto con el cumplimiento de la normativa actual vigente han permitido el desarrollo de una patente basada en el empleo de dichos residuos como adiciones al cemento para la obtención de nuevos cementos ecoeficientes. La patente se fundamenta en: • Materiales empleados: -

Residuo cerámico empleado en las invenciones (Figura 51), consistente en un RCD útil que contiene al menos un 20% de material cerámico, y que procede o bien de las plantas de gestión de RCD o de las plantas de fabricación de materiales cerámicos. Tras la selección y recogida de los materiales, es necesario un acondicionamiento previo de los mismos, que consiste en someterlos a un secado en estufa eléctrica a 105 ºC y una molienda para obtener un tamaño de partícula inferior a 63 µm.

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-

Cemento, gris, sin adiciones (CEM I) en el que se va a incorporar el residuo de construcción y demolición en proporciones de hasta el 55%.

• El procedimiento para la obtención del cemento de la invención consiste en la mezcla del residuo cerámico (hasta 55%) con el cemento hasta su completa homogeneización. Posteriormente, el nuevo cemento obtenido se almacena en un recipiente estanco, con lo que se evita tanto la carbonatación como la humectación de la mezcla (Figura 52). La patente desarrollada [143] lleva por título: Residuo cerámico útil para la elaboración de cementos, procedimiento de obtención y cementos que lo comprende.

Figura 51. Aspecto inicial dc los RCD cerámicos.

4.8.1. Aspectos innovadores y ventajas de la patente desarrollada • Valorización de residuos industriales procedentes de plantas de gestión de RCD mediante su incorporación activa en la fabricación de cementos con excelentes resultados. • Residuos con actividad puzolánica igual o superior a la presentada por otras adiciones activas (humo de sílice y ceniza volante) empleadas de forma habitual en la industria cementera. • Los nuevos cementos grises cumplen con los requisitos físicos, químicos y mecánicos exigidos por la normativa de cementos. • Disminución del consumo de clínker y emisiones de CO2 a la atmósfera, con lo que se reduce el impacto ambiental provocado por la producción de cementos.

Figura 52. Aspecto de los nuevos cementos a partir de cementos grises con incorporación de RCD cerámico.

5. CONCLUSIONES Residuos de construcción y demolición • Los resultados expuestos en la presente monografía mostraron la viabilidad del empleo de RCD como adiciones activas al cemento tras la caracterización química, mineralógica y de actividad puzolánica de veinte residuos procedentes de doce plantas de reciclado españolas. • Los residuos estudiados destacan por su composición química. Así, SiO2, Al2O3 y Fe2O3 son los componentes mayoritarios en todos los casos, en términos mineralógicos y de actividad puzolánica similar (llegando a alcanzar fijaciones de cal superiores al 80% a los veintiocho días de reacción) y comparable a otros residuos empleados actualmente como puzolanas en la fabricación de cementos comerciales. Caracterización de RCD • Al caracterizar y comparar dos RCD con diferente porcentaje de material cerámico en su composición mostró que el residuo con mayor contenido de material cerámico (100%) presentaba más óxidos ácidos (SiO2+Al2O3+Fe2O3), menor presencia de óxido de calcio y menor pérdida por calcinación, así como un porcentaje superior de sílice reactiva. • La composición de los RCD quedó claramente influenciada por el contenido de material cerámico. Comportamiento de los cementos diseñados según la normativa vigente • Los cementos diseñados en un futuro podrían designarse como CEM II/A-Q (incorporación de 10 y 20% de RCD) o como CEM II/B-Q (incorporación de 30% de RCD) y CEM IV/A si el porcentaje de sustitución es del 20 o 30%.

• Los nuevos cementos diseñados cumplen con los requerimientos químicos (contenido de sulfatos y cloruros), físicos (tiempos de fraguado y expansión de volumen) y mecánicos (resistencias a compresión a dos y veintiocho días) requeridos por la normativa europea vigente. Durabilidad de los cementos diseñados frente a ataque por sulfatos • Mediante el empleo de diferentes técnicas instrumentales se observó la formación de etringita, un producto expansivo que afecta directamente a la durabilidad de las probetas preparadas. • El incremento de etringita conlleva una disminución en la portlandita presente. A su vez, se encuentra relacionado también con la concentración de sulfatos en la disolución: mayor concentración de sulfatos en disolución, mayor contenido de etringita. • La formación de etringita tiene lugar principalmente en el interior de los poros existentes en las pastas de cemento como se ha podido observar en las imágenes de SEM. • La formación de nuevos productos se refleja directamente con el incremento de la masa de las probetas. • Después de cincuenta y seis días de ataque, solo las probetas amasadas con OPC han sufrido daños (grietas y fisuras). • Después de la inmersión en disoluciones de sulfato sódico, se observa una disminución en la porosidad total de las matrices cementantes que, unida a un aumento en el contenido de poros de gel y disminución en los tamaños medios de poro, indican un refinamiento de la estructura porosa, más pronunciado en el caso de las pastas con RCD. • La resistencia a sulfatos se evaluó con los índices de corrosión según la metodología de Köch-Steinegger. Aunque todos los cementos estudiados son resistentes a sulfatos, la incorporación de 30% de RCD en los

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cementos produce una mejora en la durabilidad en comparación con el cemento de referencia comercial. Finalmente, cabe destacar la viabilidad del empleo de los residuos de construcción y demolición en el cemento como puzolanas alternativas y que en un futuro próximo podrían ser catalogadas

como puzolanas naturales calcinadas. Además, los nuevos cementos diseñados basados en la incorporación de RCD cumplen con la normativa europea y son capaces de mejorar la durabilidad de los sistemas cementantes. Los resultados científicos, han permitido el desarrollo tecnológico con la consecución de una patente a nivel nacional (ES2512065).

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62 ELOY ASENSIO, CÉSAR MEDINA, MOISÉS FRÍAS Y MARÍA ISABEL SÁNCHEZ DE ROJAS

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427

MONOGRAFÍAS DEL IETcc

MONOGRAFÍAS DEL IETcc N.º 427

415. Francisca Puertas Maroto, María del Mar Alonso López y Marta Palacios Arévalo, Aditivos para el hormigón: compatibilidad cemento-aditivos basados en policarboxilatos, 2009. 416. Olga Rodríguez Largo et al., Nuevos materiales puzolánicos a partir de un residuo papelero para la industria del cemento, 2010. 417. Irene García-Díaz y Francisca Puertas Maroto, Empleo de residuos cerámicos como materia prima alternativa en la fabricación de cemento Pórtland, 2011. 418. María Isabel Sánchez de Rojas Gómez, Javier Olmeda Montolío y Moisés Frías Rojas, Morteros especiales con propiedades termo-aislantes usando coque de petróleo como árido ligero, 2013. 419. Francisca Puertas Maroto et al., Proceso de deterioro por descalcificación del cemento: estudio comparativo de cementos de diferente composición, 2013. 420. Ana María Guerrero Bustos, Valorización de cenizas mediante tratamiento hidrotermal para su aplicación en materiales de construcción, 2014. 421. María Inés Pernas Alonso, Escalera monástica en Galicia. Escaleras de rampas al aire: análisis gráfico, 2015. 422. César Medina Martínez, María Isabel Sánchez de Rojas Gómez y Moisés Frías Rojas, Valorización de árido cerámico de sanitarios como árido reciclado en la fabricación de hormigones estructurales eco-eficientes, 2015. 423. Samuel Domínguez Amarillo, Juan José Sendra Salas e Ignacio Oteiza Sanjosé, La envolvente térmica de la vivienda social: el caso de Sevilla, 1939 a 1979, 2016 (serie Arquitectura, 1). 424. Pablo de la Fuente Martín y Carlos Zanuy Sánchez, Fundamentos para el cálculo de estructuras prismáticas planas, 2017. 425. David Revuelta Crespo, Pedro Carballosa de Miguel y José Luis García Calvo, Guía para el empleo de hormigones expansivos, 2017.

En la actualidad, los residuos de construcción y demolición (RCD) constituyen un problema social, técnico y medioambiental debido al gran volumen de residuos generados anualmente y a sus limitadas aplicaciones hoy en día. Su gestión tiene lugar en las plantas de reciclado de RCD, donde, después de diferentes etapas de separación y de procesos de trituración, se obtienen fundamentalmente dos tipos de fracciones: un residuo limpio de hormigón y un residuo mixto cerámico, los cuales se emplean principalmente en aplicaciones técnicas como relleno, material de drenaje, base o sub-base de carreteras, o como árido reciclado en la fabricación de hormigones más sostenibles. Debido al gran flujo de este tipo de residuos (RCD), a la necesidad de mejorar las tasas de reciclaje que presentan y considerando investigaciones previas, se plantea una nueva aplicación para los RCD: puzolanas alternativas para cementos ecoeficientes. La incorporación de dichos materiales al cemento debe ofrecer ventajas tecnológicas en comparación con los cementos comerciales tradicionales, así como una mejora en las condiciones ambientales y sociales. Los nuevos cementos cumplen con la normativa europea vigente y mejoran la durabilidad de los cementos en comparación con el cemento sin adición. Los buenos resultados obtenidos han permitido el desarrollo de una patente: «Residuo cerámico útil para la elaboración de cementos, procedimiento de obtención y cementos que lo comprende» (ES2512065).

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS EN LA FABRICACIÓN DE CEMENTOS ECO-EFICIENTES Eloy Asensio (coord.) César Medina, Moisés Frías y María Isabel Sánchez de Rojas

VALORIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) COMO PUZOLANAS ALTERNATIVAS EN LA FABRICACIÓN DE CEMENTOS ECO-EFICIENTES

414. Elvira Sabador Azorín et al., Estudios morfológicos y microestructurales en morteros elaborados con productos secundarios de refino de petróleo, 2009.

MONOGRAFÍAS DEL IETcc

ÚLTIMOS TÍTULOS PUBLICADOS

Es doctor en Química por la Universidad Complutense de Madrid desde septiembre de 2015 y en la actualidad desarrolla su actividad científica en el Grupo de Reciclado de Materiales, perteneciente al Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC). Su investigación se centra en el reciclado y valorización de residuos y subproductos industriales para su empleo como puzolanas en la fabricación de cementos y hormigones más sostenibles, y está especialmente enfocada en los aspectos científicos, técnicos y medioambientales, como la cinética de reacción, la hidratación de fases, la microestructura, el comportamiento mecánico y la durabilidad de las nuevas matrices cementantes.

César Medina Es doctor ingeniero agrónomo por la Universidad de León. Actualmente desarrolla su labor investigadora en la Escuela Politécnica de Cáceres (Universidad de Extremadura) y es responsable del Grupo de Materiales de la Construcción, Ingeniería del Terreno y Ambiental (MATERIA). Su labor investigadora se desarrolla en torno a materiales de construcción en el ámbito de la ingeniería civil, especialmente en la reutilización de residuos industriales desde una doble perspectiva: como árido en la fabricación de hormigones reciclados o como adición activa en cementos.

Moisés Frías Rojas Es doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Autónoma de Madrid y desarrolla su actividad como investigador científico en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC). Con experiencia laboral en la valorización de subproductos y residuos industriales para la fabricación de cementos y hormigones ecoeficientes y sostenibles, ha publicado más de ciento sesenta artículos en revistas JCR y ha participado activamente en congresos internacionales, patentes, contratos con empresas, así como en el desarrollo de varios acuerdos marco de colaboración con instituciones extranjeras. Galardonado con dos premios de investigación (de AENOR y de la Academia de Ciencias de Cuba), es en la actualidad corresponsable del Grupo de Investigación Reciclado de Materiales.

María Isabel Sánchez de Rojas Gómez Es doctora en Ciencias Químicas por la Universidad Autónoma de Madrid y desempeña su labor como investigadora científica del CSIC en el Grupo de Investigación de Reciclado de Materiales del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, del que es corresponsable. Ha publicado trabajos de investigación en revistas y congresos de prestigio internacional y ha dirigido varias tesis doctorales. Vocal de distintos comités de certificación de AENOR y de normalización UNE, es responsable de dos unidades asociadas con la Escuela de Arquitectura de Madrid y con la Universidad de Extremadura (SOSMAT). Es, a su vez, miembro de la unidad asociada con la Universidad Autónoma de Madrid.

426. Eloy Velasco Gómez y Jon Zubiaurre Sasia (coords.), Forjados activos para edificios eficientes, 2018.

CSIC

Eloy Asensio

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

Imagen de cubierta: planta de gestión de residuos de construcción y demolición. Allied Recycled Aggregates (ARA), Comerce City (Colorado-EE.UU.) (fotografía de Eloy Asensio).