Activación alcalina de residuos urbanos e industriales para la construcción de piezas prefabricadas

Abstract

(English) A comprehensive evaluation of various industrial and urban by-products was conducted to determine their potential as precursors for alkali-activated materials (AAM) in Spain. Over 15 by-products were identified that could be used as precursors, classified into four categories based on their chemical nature: glass, ceramics, steel slags, and spent fluid catalytic cracking catalyst. Multiple chemical analysis techniques were applied to determine the composition and alkaline dissolution capacity of these materials, as well as mechanical analysis to assess their consolidation and strength properties. The results revealed that some by-products exhibited low reactivity due to their physical characteristics and chemical composition, which required very specific activation conditions. However, within the experimental framework of the doctoral thesis, general conditions were established to assess and evaluate as many by-products as possible. While activation was not achieved for all byproducts, the required activation conditions were determined for each one. Glass by-products, particularly the non-recyclable fraction of container glass (V-C+P), and ceramic by-products such as red brick ceramics (RDC) and Testillo (TC), showed significant activation potential. After a series of experimental evaluations, optimal activation conditions were established for V-C+P in paste, mortar, and concrete matrices: a activator-to-precursor ratio of 0.30, a 4M NaOH activating solution with 1% sodium silicate by weight, a curing period of 48 hours at 70°C, a minimum average particle size of 0.3 mm or a specific surface area of 54 cm²/g. Prior to obtaining these values, the importance of fineness, dissolution capacity, the real influence of amorphous content, and the limited effectiveness of traditional superplasticizers in AAMs was quantified. Chemical and mechanical analyses of various pastes made with V-C+P, using different activation concentrations and activator-toprecursor ratios, revealed that the primary reaction products were C-S-H and N-A-S-H, comprising up to 28% of the total mass. These chemical transformations involved the predominant conversion of Si-O-Si bonds to Si-O-Na, and the presence of a long-term compound contributing to the observed resistance was detected in FT-IR and possibly XRD analyses. Based on the results obtained, an improved formulation of AAM was defined by adding 10% cement, serving as the basis for prefabricated element analysis. Additionally, an optimized formulation combining ceramic by-products with 30% V-C+P was presented, yielding highly favorable results. The AAM obtained, through the implementation of suitable industrial scaling and optimized grinding and curing processes, demonstrates significant potential for the production of low-carbon footprint precast building elements. This AAM not only ensures efficient utilization of materials but also reduces cement consumption by 90%. Furthermore, it is demonstrated that even by combining glass precursors with Testillo-type ceramic precursors, an alternative material with high mechanical strength that meets the required fineness criteria set by applicable regulations can be achieved. In conclusion, this research confirms that the AAM obtained from the non-recyclable fraction of glass meets the established technical requirements, despite current regulations restricting its implementation as a sole binder material for precast building elements.

(Català) En la recerca del contexte d'aquesta tesis doctoral, es va dur a terme una avaluació química de diversos subproductes industrials i urbans per tal d'establir-ne el potencial com a precursors en la producció de materials activats alcalinament (MAA) a Espanya. Es van identificar més de 15 subproductes que podrien emprar-se com a precursors, els quals es van classificar segons la seva naturalesa química, diferenciant-se en quatre tipologies: vidres, ceràmics, escòries d'acer i catalitzadors de craqueig catalític. Per a cadascun d'aquests materials, es van aplicar diverses tècniques d'anàlisis químiques per tal de determinar-ne la composició, la capacitat de dissolució en mitjans alcalins, així com anàlisis mecàniques per avaluar-ne la seva capacitat mecànica. Els resultats posen de manifest que alguns subproductes no tenien reactivitat a causa de les característiques físiques i la seva composició química, els quals requerien condicions d'activació molt específiques, però en el marc del programa experimental de la tesi doctoral, calia establir criteris generals que permetessin la comparació de la major quantitat possible de subproductes. Tot i que no s'ha aconseguit l'activació de tots els subproductes, s'ha aconseguit establir les condicions d'activació requerides per a cadascun d'aquests. Van destacar especialment els subproductes de vidre, en particular la fracció no reciclable de vidre de contenidor denominada (VC+ P), així com els subproductes ceràmics de maó vermell (RDC) i testillo cuit (TC), els quals van mostrar un major potencial d'activació. Després d'una sèrie d'avaluacions experimentals, en les quals es van definir les condicions d'activació òptimes, el VC+ P va exhibir un rendiment excel·lent. Per a aquest material en particular, es van establir les condicions d'activació òptimes següents en matrius de pasta, morter i formigó: una relació activador/precursor de 0,30, una solució activadora de NaOH 4M amb un 1% de silicat de sodi en pes, un període de curat de 48 hores a una temperatura de 70°C, una mida mitjana de partícula mínima de 0,3 mm o una superfície específica de 54 cm²/g. Prèviament a l'obtenció d'aquests valors, es va aconseguir quantificar la importància de la finor, la capacitat de dissolució, la influència real del percentatge amorf i la limitada eficàcia dels superplastificants tradicionals als MAA. A través d'anàlisis químiques i mecàniques de diverses pastes elaborades amb V-C+P, sota diferents concentracions d'activador i relacions activador/precursor, es va determinar que els principals productes de reacció van ser el C-S-H i el N-A-S-H, arribant a representar fins a un 28 % de la massa total. Aquestes transformacions químiques es van caracteritzar per la conversió predominant d'enllaços Si-O-Si a Si-O-Na, i és possible que a llarg termini es detecti la presència d'un compost que contribueix a la resistència, tal com s'evidencia a les anàlisis FT-IR i possiblement a DRX. A partir dels resultats obtinguts, es va definir una formulació millorada de MAA mitjançant l'addició del 10% de ciment, que va ser la base per a l'anàlisi dels elements prefabricats. Com a última optimització, es presenta una formulació addicional que combina subproductes ceràmics amb un 30% de V-C+P, obtenint resultats altament favorables. El MAA obtingut, mitjançant la implementació d'un escalat industrial adequat i un procés de mòlta i curat optimitzat, mostra un potencial destacat per a la fabricació de prefabricats de baixa empremta de carboni. En conclusió, aquesta investigació corrobora que el MAA obtingut a partir de la fracció no reciclable de vidre compleix els requisits tècnics establerts, tot i que la normativa actual restringeix la seva implementació com a cimentant únic en elements prefabricats per a construcció.

(Español) Se llevó a cabo una evaluación exhaustiva de diversos subproductos industriales y urbanos con el fin de establecer su potencial como precursores en la producción de materiales activados alcalinamente (MAA) en España. Se identificaron más de 15 subproductos que podrían emplearse como precursores, los cuales se clasificaron según su naturaleza química, diferenciándose en cuatro tipologías: vidrios, cerámicos, escorias de acero y catalizadores gastados de craqueo catalítico. Para cada uno de estos materiales, se aplicaron varias técnicas de análisis químicos a fin de determinar su composición, su capacidad de disolución en medios alcalinos, así como análisis mecánicos para evaluar su capacidad de consolidación y resistencia. Los resultados revelan que algunos subproductos carecían de reactividad debido a las características físicas y su composición química, los cuales requerían condiciones de activación muy específicas, pero en el marco del programa experimental de la tesis doctoral, era necesario establecer criterios generales que permitieran la comparación de la mayor cantidad posible de subproductos. Aunque no se logró la activación de todos los subproductos, se logró establecer las condiciones de activación requeridas para cada uno de ellos. Destacaron especialmente los subproductos de vidrio, en particular la fracción no reciclable de vidrio de contenedor denominada (V-C+P), así como los subproductos cerámicos de ladrillo rojo (RDC) y Testillo cocido (TC), los cuales mostraron un mayor potencial de activación. Tras una serie de evaluaciones experimentales, en las cuales se definieron las condiciones óptimas de activación, el V-C+P exhibió un rendimiento sobresaliente. Para este material en particular, se establecieron las siguientes condiciones de activación óptimas en matrices de pasta, mortero y hormigón: una relación activador/precursor de 0,30, una solución activadora de NaOH 4M con un 1% de silicato de sodio en peso, un período de curado de 48 horas a una temperatura de 70°C, un tamaño promedio de partícula mínimo de 0,3 mm o una superficie específica de 54 cm²/g. Previamente a la obtención de estos valores, se logró cuantificar la importancia de la finura, la capacidad de disolución, la influencia real del porcentaje amorfo y la limitada eficacia de los superplastificantes tradicionales en los MAA. A través de análisis químicos y mecánicos de diversas pastas elaboradas con V-C+P, bajo distintas concentraciones de activador y relaciones activador/precursor, se determinó que los principales productos de reacción fueron el C-S-H y el N-A-S-H, llegando a representar hasta un 28% de la masa total. Dichas transformaciones químicas se caracterizaron por la conversión predominante de enlaces Si-O-Si a Si-O-Na, y es posible que a largo plazo se detecte la presencia de un compuesto que contribuye a la resistencia, tal como se evidencia en los análisis FT-IR y posiblemente en DRX. A partir de los resultados obtenidos, se definió una formulación mejorada de MAA mediante la adición del 10% de cemento, el cual fue la base para el análisis de los elementos prefabricados. Como ultima optimización, se presenta una formulación adicional que combina subproductos cerámicos con un 30% de V-C+P, obteniendo resultados altamente favorables. El MAA obtenido, mediante la implementación de un escalado industrial adecuado y un proceso de molienda y curado optimizado, muestra un destacado potencial para la fabricación de prefabricados de baja huella de carbono. En conclusión, la presente investigación corrobora que el MAA obtenido a partir de la fracción no reciclable de vidrio cumple con los requisitos técnicos establecidos, a pesar de que la normativa actual restringe su implementación como cementante único en elementos prefabricados para construcción.