Optimize use of recycled aggregate in high-durability structural concrete: an experimental study

Abstract

(English) Currently, the construction industry faces the challenge of adopting more sustainable practices, with the use of recycled aggregates in structural concrete production emerging as a key strategy. This doctoral research evaluates the viability and efficacy of structural concrete incorporating high volumes of fine and coarse recycled aggregates, specifically recycled concrete aggregates (RCA-type A) and mixed recycled aggregates (MRA-type B). The recycled aggregate concretes were subjected to exposure conditions ranging from XC1 to XC4 classes, extending to more severe environmental conditions such as XS1. The study was conducted in several experimental phases. In the first phase, the physical, chemical, and mechanical characteristics of recycled aggregates were evaluated. All concrete mixtures were designed with a compressive strength of 30/37 MPa and a cement, CEM II A/L 42.5R, content of 300 kg/m³. The second phase involved a comprehensive analysis of the physical, mechanical, and durability properties of concrete mixtures with varying proportions of RCA-type A and MRA-type B, using effective water–cement ratios of 0.48 and 0.52. This phase aimed to determine the maximum replacement percentage of recycled aggregates that could be incorporated without compromising the mechanical performance of the concrete. Results confirmed the feasibility of integrating up to 60% coarse RCA (CRCA) and 20% fine RCA (FRCA) in structural concrete mixtures, achieving mechanical properties comparable to natural aggregate concrete (NAC). The analysis was extended to the use of MRA-type B, validating good mechanical performance with up to 40% coarse MRA (CMRA) and 15% fine MRA (FMRA) without compromising structural performance. The third and fourth phases expanded the study, focusing on the effects on concrete durability using the limits established in previous phases. Recycled aggregate concrete (RAC) and NAC mixtures were produced with similar compressive strengths using effective water–cement ratios of 0.47 and 0.51, respectively. These phases utilized different cement types, such as CEM II A/L 42.5 R, CEM II A/S 42.5 N/SRC, and CEM III/B 42.5 N-LH/SR, to evaluate drying shrinkage, chloride permeability, and accelerated carbonation of the various mixtures and the influence of cement type. After validating those mixtures with up to 50% CRCA and 20% FRCA maintain their structural integrity under conditions susceptible to carbonation and chloride-induced corrosion, in the final phase, with additional studies on natural carbonation and chloride profiles, the concrete produced up to 60% CRCA and 20% FRCA was validated. The findings of this research indicate that concrete mixtures with high percentages of recycled aggregates, RCA and MRA, not only meet current regulatory standards but, in some cases, exhibit enhanced properties compared to those of NAC. These results support their application in structures with extended service life expectations. Furthermore, it is concluded that recycled concrete exhibits properties similar to NAC when working with the same compressive strengths. This doctoral work underscores the sustainability of recycled concrete as a viable alternative, promoting environmentally responsible construction practices without compromising structural integrity in demanding environments.

(Català) Actualment, la indústria de la construcció s'enfronta al repte d'adoptar pràctiques més sostenibles, destacant-se l'ús d'àrids reciclats en la producció de formigó estructural com a estratègia clau. Aquesta investigació doctoral avalua la viabilitat i eficàcia del formigó estructural que incorpora elevats volums d'àrids reciclats fins i gruixuts, específicament àrids reciclats de formigó (RCA-tipus A) i àrids mixtos reciclats (MRA-tipus B). Els formigons reciclats van ser sotmesos a condicions d'exposició que abasten des de les classes XC1 a XC4, estenent-se a condicions ambientals més severes com ara XS1. L'estudi es va desenvolupar en diverses fases experimentals. En la primera fase, es van avaluar les característiques físiques, químiques i mecàniques dels àrids reciclats. Totes les mescles de formigó es van dissenyar amb una resistència a compressió de 30/37 MPa i un contingut de ciment CEM II A/L 42.5R de 300 kg/m³. La segona fase va involucrar una anàlisi exhaustiva de les propietats físiques, mecàniques i de durabilitat de les mescles de formigó amb proporcions variables de RCA-tipus A i MRA-tipus B, utilitzant relacions aigua-ciment efectives de 0.48 i 0.52. Aquesta fase va tenir com a objectiu determinar el percentatge màxim de reemplaçament d'àrids reciclats que es podria incorporar sense comprometre el rendiment mecànic del formigó. Els resultats van confirmar la viabilitat d'integrar fins a un 60% de RCA gruixut (CRCA) i un 20% de RCA fi (FRCA) en mescles de formigó estructural, assolint propietats mecàniques comparables a les del formigó amb àrids naturals (NAC). L'anàlisi es va estendre a l'ús de MRA-tipus B, validant un bon rendiment mecànic amb fins a un 40% de MRA gruixut (CMRA) i un 15% de MRA fi (FMRA), sense comprometre el desempenyament estructural. Les fases tercera i quarta van ampliar l'estudi, centrant-se en els efectes sobre la durabilitat del formigó utilitzant els límits establerts en les fases anteriors. Es van produir mescles de formigó amb àrids reciclats (RAC) i NAC amb resistències a la compressió similars utilitzant relacions aigua-ciment efectives de 0.47 i 0.51, respectivament. Aquestes fases van utilitzar diferents tipus de ciment, com CEM II A/L 42,5 R, CEM II A/S 42,5 N/SRC i CEM III/B 42,5 N-LH/SR, per avaluar la retracció per assecat, la permeabilitat als clorurs i la carbonatació accelerada de les diverses mescles i la influència del tipus de ciment. Després de validar que les mescles amb fins a un 50% d'CRCA i un 20% d'FRCA mantenen la seva integritat estructural en condicions susceptibles a la carbonatació i a la corrosió induïda per clorurs, en la fase final, amb estudis addicionals sobre carbonatació natural i perfils de clorurs, es va validar el formigó produït amb fins a un 60% d'CRCA i un 20% d'FRCA. Les troballes d'aquesta recerca indiquen que les mescles de formigó amb alts percentatges d'àrids reciclats, RCA i MRA, no només compleixen amb les normes regulatòries actuals, sinó que, en alguns casos, exhibeixen propietats millorades en comparació amb les del NAC. Aquests resultats donen suport a la seva aplicació en estructures amb expectatives de vida útil prolongada. A més, es conclou que el formigó reciclat exhibeix propietats similars al NAC quan es treballa amb les mateixes resistències a la compressió. Aquest treball doctoral subratlla la sostenibilitat del formigó reciclat com una alternativa viable, promovent pràctiques de construcció ambientalment responsables sense comprometre la integritat estructural en entorns exigents.

(Español) La industria de la construcción enfrenta actualmente el desafío de adoptar prácticas más sostenibles, destacándose el uso de áridos reciclados en la producción de hormigón estructural como una estrategia clave. Esta investigación doctoral evalúa la viabilidad y eficacia del hormigón estructural que incorpora elevados volúmenes de áridos reciclados finos y gruesos, específicamente áridos reciclados de hormigón (RCA-tipo A) y áridos mixtos reciclados (MRA-tipo B). Los hormigones reciclados sometidos a condiciones de exposición que abarcan desde las clases XC1 a XC4, extendiéndose a condiciones ambientales más severas como XS1. El estudio se desarrolló en varias fases experimentales. En la primera fase, se evaluaron las características físicas, químicas y mecánicas de los áridos reciclados. Todas las mezclas de hormigón se diseñaron con una resistencia a compresión de 30/37 MPa y un contenido de cemento CEM II A/L 42.5R de 300 kg/m³. La segunda fase involucró un análisis exhaustivo de las propiedades físicas, mecánicas y de durabilidad de las mezclas de hormigón con proporciones variables de RCA-tipo A y MRA-tipo B, utilizando relaciones agua-cemento efectivas de 0.48 y 0.52. Esta fase tuvo como objetivo determinar el porcentaje máximo de reemplazo de áridos reciclados que podría incorporarse sin comprometer el rendimiento mecánico del hormigón. Los resultados confirmaron la viabilidad de integrar hasta un 60% de RCA grueso (CRCA) y un 20% de RCA fino (FRCA) en mezclas de hormigón estructural, logrando propiedades mecánicas comparables a las del hormigón con áridos naturales (NAC). El análisis se extendió al uso de MRA-tipo B, validando un buen rendimiento mecánico con hasta un 40% de MRA grueso (CMRA) y un 15% de MRA fino (FMRA), sin comprometer el desempeño estructural. La tercera y cuarta fases ampliaron el estudio, centrándose en los efectos sobre la durabilidad del hormigón utilizando los límites establecidos en fases anteriores. Se produjeron mezclas de hormigón con áridos reciclados (RAC) y NAC con resistencias a compresión similares, utilizando relaciones agua-cemento efectivas de 0.47 y 0.51. Estas fases emplearon diferentes tipos de cemento, como CEM II A/L 42.5 R, CEM II A/S 42.5 N/SRC y CEM III/B 42.5 N-LH/SR, para evaluar la retracción por secado, la permeabilidad a cloruros y la carbonatación acelerada de las diversas mezclas, así como la influencia del tipo de cemento. Tras validar que las mezclas con hasta un 50% de CRCA y un 20% de FRCA mantienen su integridad estructural bajo condiciones susceptibles a carbonatación y corrosión inducida por cloruros en la fase final, con estudios adicionales sobre carbonatación natural y perfiles de cloruros, se validó el hormigón producido con hasta un 60% de CRCA y un 20% de FRCA. Los hallazgos de esta investigación indican que las mezclas de hormigón con altos porcentajes de áridos reciclados, RCA y MRA, no solo cumplen con los estándares normativos actuales, sino que, en algunos casos exhiben propiedades mejoradas en comparación con las del NAC. Estos resultados respaldan su aplicación en estructuras con expectativas de vida útil prolongada. Además, se concluye que el hormigón reciclado presenta propiedades similares a las del NAC cuando se trabaja con las mismas resistencias a compresión. Este trabajo doctoral subraya la sostenibilidad del hormigón reciclado como una alternativa viable, promoviendo prácticas de construcción ambientalmente responsables sin comprometer la integridad estructural en entornos exigentes.