Estudio de la escoria de acería de HAE: aspectos expansivos y ambientales

Abstract

Electric Arc Furnace Slag (EAFS) is the by-product generated in the steel making process in electric arc furnaces. According to the European slag association, EUROSLAG, 18,4Mt of steel slag have been reported, of which 32,2% comes from EAF, in Europe in 2016. The steel slags present similar properties to the natural aggregate, enabling the use of EAFS in construction. In Europe in 2016, 46% of steel slag has been used in road construction, and 14,1% has been dumped. In different experiences using steel slags in construction, it has been found that they could potentially present volumetric instability, compromising the durability of the executed works. Likewise, the use of steel slags in construction might cause the contamination of the environment due to the leaching of the heavy metals they contain. Following the guidelines set by the European Commission towards a circular economy, it is important to carry out the Life Cycle Assessment (LCA) of the management and/or use alternatives of the slags, to select the option with the least environmental impact through an objective methodology such as the LCA. In this thesis the knowledge of the expansion and leaching phenomena and LCA of the EAFS is investigated, in order to use the steel slags in a safe and durable way in construction. Starting with an EAFS sample with an initial swelling, measured according to UNE-EN 1744-1, greater than 3,5% in volume, the study of the expansion is approached in two ways. On the one hand, a characterization of the EAFS microstructure is done to know the causes of expansion using different analytical techniques (FRX, free lime content, TGA, DRX, SEM-EDS, EPMA and MIP). On the other hand, the potential swelling of slag is studied by quantifying the volumetric deformation by means of standardized laboratory tests (UNE-EN 1744-1 and ASTM D4792) and simulating the application of the EAFS as filling material in a confined state, under controlled conditions in a humidity chamber and outdoors. In addition, following George Wang's expansion force quantification model, a system capable of measuring the EAFS expansion force is designed, developed and implemented. It has been possible to determine the swelling pressure exerted by the EAFS with the mentioned expansion force equipment. Concrete is manufactured with EAFS to evaluate the consequences of the EAFS’ swelling in a rigid matrix. For the leaching study, the total amounts of pollutants in the EAFS are obtained by the extraction method with aqua regia (ISO 11466:1995); matching the results in the compliance leaching test (UNE-EN 12457-2) with the limits imposed in the Decree 32/2009, on the recovering of steel slag in Catalonia, it is confirmed that EAFS are environmentally recoverable. With the pH-dependence (Method 1313) characterization test, the EAFS’s capacity on acid or base neutralization of the environment is achieved, and the emissions in different basic or acidic media are quantified. With the percolation test (BS EN 14405:2017), the main mechanism for the release of pollutants from EAFS are found. The potential swelling and leaching of EAFS are evaluated in fresh state and at 18 months of outdoors weathering action, in addition to checking the effect of the carbonation of the material in the leachate. Finally, the Life Cycle Assessment (LCA) of 1t of EAFS production in Adec Global S.L. recovery plant, and the delivery of material on site for the construction of 1m3 of sub-ballast, which was built in L'Hospitalet de Llobregat, are done. The assessment is carried out with Simapro, using the CML-IA method, with real data from the valorization plant, real consumptions in the building of the railroad and additional data from the Ecoinvent database.

Se denomina Escoria de Horno Arco Eléctrico (EHAE) al subproducto que se obtiene en la producción de acero en hornos de arco eléctrico. De acuerdo a la asociación europea de escorias (EUROSLAG), el año 2016 en Europa se han registrado 18,4Mt de escorias de acería, de las cuales el 32,2% proviene de HAE. El árido siderúrgico, producto de la valorización de escorias, presenta propiedades similares al árido natural, habilitando su uso en el sector de la construcción. En Europa el año 2016, el 46% de las escorias de acería se ha utilizado en construcción de carreteras y 14,1% ha sido depositado. En las diferentes experiencias de uso de las escorias en construcción, se ha encontrado que presentan inestabilidad volumétrica, poniendo en peligro la durabilidad de las obras ejecutadas. Igualmente, la utilización de escorias en construcción puede provocar la contaminación del entorno debido a la lixiviación de los metales pesados que contienen las EHAE. Siguiendo las directrices marcadas por la comisión europea hacia una economía circular, es de relevancia realizar el Análisis de Ciclo de Vida (ACV) de las diferentes alternativas de gestión/utilización de las escorias, para optar la que menor impacto ambiental ocasione. En esta tesis se ahonda en el conocimiento de los fenómenos de expansión, lixiviación y ACV de las EHAE, para utilizar el árido siderúrgico de forma segura y durable en construcción. Partiendo de una EHAE con una expansión inicial superior a 3,5%v, medida según UNE-EN 1744-1, se aborda el estudio de la expansión por dos vías. Por un lado, se hace una caracterización de la microestructura de la EHAE para conocer las causas de expansión empleando diferentes técnicas analíticas (FRX, contenido de cal libre, TGA, DRX, SEM-EDS, EPMA y MIP). Por otro lado, se estudia el fenómeno de expansión cuantificando la deformación volumétrica mediante ensayos normalizados de laboratorio (UNE-EN 1744-1 y ASTM D4792) y simulando la aplicación de las EHAE como material de relleno en estado de confinamiento, bajo condiciones controladas de cámara húmeda y en un ensayo a escala sometido a las condiciones naturales en el exterior. Además, siguiendo el modelo de cuantificación de fuerza de expansión de George Wang, se diseña, desarrolla e implementa un sistema capaz de medir la fuerza de expansión de EHAE. Con el equipo de fuerza de expansión se ha podido determinar la presión de hinchamiento que ejerce la EHAE. También se estudia el efecto de tener la escoria en una matriz rígida, por lo que se fabrica hormigón con EHAE para evaluar las consecuencias de la expansión en este tipo de matrices. Para el estudio de la lixiviación, mediante ataque por agua regía se obtienen las cantidades totales de contaminantes en las EHAE; comparando los resultados del ensayo de lixiviación de conformidad (UNE-EN 12457-2) con los límites impuestos en Decreto 32/2009, sobre la valorización de escorias siderúrgicas en Cataluña, se llega a que EHAE son valorizables ambientalmente. Con el ensayo de dependencia pH (Method 1313) se conoce la capacidad de neutralización del entorno de EHAE y se cuantifican las emisiones en diferentes entornos de basicidad y acidez. Con los ensayos de percolación (BS EN 14405) se obtienen los principales mecanismos de liberación de contaminantes de las EHAE. Se evalúan los fenómenos de expansión y lixiviación de EHAE en estado fresco y a 18 meses de maduración apilada a la intemperie. Se comprueba el efecto de la carbonatación del material en la lixiviación. Finalmente, se hace un ACV de la valoración de 1t de EHAE en la planta Adec Global S.L., y de la entrega de material a pie de obra para la construcción de 1m3 de subbalasto construida en L´Hospitalet de Llobregat. El análisis se realiza con Simapro con el método CML-IA, utilizando datos reales de la planta valorizadora, consumos reales de la obra y la base de datos Ecoinvent