Estudio de materiales puzolánicos para construcción sostenible basados en residuos y subproductos

Résumé

En esta Tesis se estudian varios problemas actuales concretos del mundo de la construcción relacionados con los materiales puzolánicos. En primer lugar, relacionado con el problema del hinchamiento de los suelos con presencia de sulfatos tratados con cal, se analiza la posibilidad de sustituir este tratamiento por otro basado en el magnesio utilizando un subproducto de la producción de magnesita (PC-8). En segundo lugar, y también con base en las reacciones propias de los materiales puzolánicos, se estudian dos cuestiones concretas relacionadas con la producción de ladrillos no cocidos. Por un lado, para ladrillos no cocidos, se realiza un análisis de la representatividad de los principales ensayos de laboratorio, con diferentes combinaciones de materiales de relleno con distintos ligantes, y de la durabilidad real de estos materiales de construcción basados en tierra; y por otro, junto al estudio de diferentes ligantes, la valorización de residuos de construcción y demolición, empleándolos en la sustitución de parte de la tierra del relleno de ladrillos no cocidos. La tercera y última cuestión se ha centrado en comparar la sustitución del cemento Portland por otros ligantes hidráulicos o por ligantes alcalinos. En el estudio de estabilización de suelos, desde un punto de vista mecánico, en la mayor parte de los casos fueron mejores los resultados con el PC-8 que con cal. Aunque cuando no se empleó escoria granulada molida de alto horno (GGBS), los suelos tratados con PC-8 alcanzaron valores de resistencia similares a los tratados con cal de aproximadamente 2-3 MPa para una dosis de PC-8 o de cal del 4% y 2-5 MPa para una dosis del 8%. Cuando el PC-8 se combinó con GGBS los valores de resistencia aumentaron hasta 11-13 MPa, mientras que la cal+GGBS sólo alcanzó los 6-7 MPa. El hinchamiento natural de los suelos tratados con PC-8 disminuyó sustancialmente y se mantuvo constante incluso para la inmersión en agua a largo plazo. En el caso de los suelos tratados con cal, el hinchamiento a largo plazo aumentó hasta valores muy altos, incluso en el caso de suelos sin hinchamiento natural. El análisis de difracción de rayos X de estas muestras demostró, de acuerdo con el comportamiento observado de hinchamiento de los suelos cuando se trataron con ambos aditivos, la existencia de etringita en 4 de los 5 suelos cuando se trataron con cal; y no hubo minerales expansivos en los suelos tratados con PC-8. Para el estudio de la durabilidad de materiales de construcción basados en tierra, se trató un suelo de marga natural de la Comarca de Pamplona mezclado con diferentes porcentajes de arena de sílice, con cemento Portland, cal hidráulica, una mezcla de cal y GGBS, y PC-8 mezclado con GGBS. Todas las combinaciones se caracterizaron, adaptándolos al estudio de este tipo de materiales, mediante los ensayos de laboratorio habituales relacionados con la durabilidad: densidad máxima, resistencia a la compresión simple, humectación y secado, resistencia a la erosión acelerada de Swinburne, absorción de agua por capilaridad, absorción total de agua y heladicidad. Los resultados de estas pruebas se relacionaron con la durabilidad real de las muestras durante dieciocho meses de exposición al aire libre. Se reveló el efecto positivo de la adición de arena en la durabilidad de los materiales y el gran resultado del ligante a base PC-8 y GGBS. También se demostró la representatividad de la prueba de absorción de agua como indicador de la durabilidad de los materiales de construcción basados en tierra. En el caso de la valorización de residuos de construcción y demolición, se emplearon residuos de hormigón y ladrillos cerámicos. Los ladrillos no cocidos producidos se sometieron a ensayos de resistencia a compresión, de heladicidad y de absorción de agua. Además, se evaluó el impacto ambiental de la producción de los ladrillos mediante el análisis del ciclo de vida (LCA). Se estableció que los residuos de hormigón podrían usarse para sustituir hasta el 50% de la arcilla, mientras que los residuos cerámicos sólo podrían sustituir un máximo del 30% de la arcilla. Se observó que los ladrillos hechos de mezclas de residuos de arcilla y hormigón tenían una resistencia mecánica menor que los hechos de arcilla y residuos cerámicos. En cuanto a la absorción de agua, no hubo apenas diferencia entre ladrillos de las dos mezclas; sin embargo, la reducción en la resistencia a la inmersión en agua fue ligeramente mayor en los ladrillos que contenían residuos de hormigón que en los que contenían residuos cerámicos. Además, los ensayos mostraron que los ladrillos con residuos de hormigón soportan mejor los ciclos de congelación-descongelación que los que contenían residuos cerámicos. El LCA demostró que, en gran medida, es el contenido de ligante en la mezcla lo que determina en gran medida el impacto ambiental de los ladrillos no cocidos producidos. Por último, se demostró que las credenciales técnicas y ambientales más deseables de las mezclas usadas para formar ladrillos resultan del uso de la combinación de los ligantes: CL 90 S+GGBS 2/8. Para la tercera cuestión principal de esta Tesis, se llevaron a cabo pruebas de consistencia, densidad, resistencia a la compresión y un LCA para establecer la capacidad de sustitución del cemento Portland CEM I de diferentes ligantes hidráulicos y activados alcalinamente. Se consideraron, además del Portland, cuatro cementos comunes con diferentes contenidos de GGBS y cenizas volantes, así como quince combinaciones de ligantes activados alcalinamente. Los resultados obtenidos demostraron la conveniencia técnica y ambiental de estos ligantes alternativos al cemento Portland para la fabricación de morteros de construcción. Palabras clave: Estabilización de suelos, Materiales de construcción basados en tierra, Análisis del ciclo de vida, Valorización de residuos