Influencia de estériles de carbón activados térmicamente en la fabricación de cementos de bajo contenido en clinkerdurabilidad frente a agentes agresivos

Resumen

La explotación de las minas de carbón lleva asociada la extracción de grandes volúmenes de materiales de base arcillosa, generados durante los procesos de extracción y lavado del mineral. Estas arcillas son tratadas habitualmente como un residuo, siendo común su gestión mediante su depósito en vertederos, lo cual genera graves problemas medioambientales y sociales en el entorno de las minas. La industria del cemento constituye una gran oportunidad para el aprovechamiento de estos residuos, ya que, tras ser activados térmicamente, poseen propiedades prometedoras como adiciones puzolánicas para la sustitución del clínker. El reciclaje de los residuos del carbón mediante este mecanismo supondría una alternativa acorde con los fundamentos de la Economía Circular y los Objetivos Ambientales de Desarrollo Sostenible que beneficiaría a ambos sectores, pues constituiría un modo de gestión más ecológico para el residuo en las minas, por una parte, y contribuiría por otro lado a hacer frente a la escasez actual de puzolanas tradicionales, las cuales son clave para la disminución de la huella medioambiental del sector cementero, así como para la reducción de costes y la mejora de las propiedades técnicas de los cementos. Actualmente, el conocimiento de las propiedades de los cementos elaborados con residuo de carbón activado (RCA) es limitado, especialmente en lo que respecta a sus propiedades durables. Por ello, en esta tesis se aborda el estudio de cementos binarios elaborados con RCA en niveles de sustitución del 20 % (RCA-20) y del 50 % (RCA-50), en materia de durabilidad. Para ello se estudian inicialmente algunas de las propiedades fundamentales del RCA y los cementos derivados, para a continuación centrarse en su comportamiento frente a agentes agresivos, incluyendo el dióxido de carbono y los iones cloruro y sulfato. El estudio del residuo de carbón reveló que este presenta una naturaleza silicoaluminosa, estando constituido por caolinita en un contenido moderado (14 %), además de otros minerales como cuarzo, mica o calcita. Tras su activación térmica a 600 oC durante dos horas, la caolinita se transforma en metacaolinita dando lugar a un producto con propiedades puzolánicas. Se ha comprobado que su actividad puzolánica es elevada, e incluso comparable al metacaolín de alta pureza, a partir de la capacidad de fijación de cal en un sistema puzolana /Ca(OH)2. El efecto de la adición de RCA en los productos de hidratación de los cementos se detectó fundamentalmente en forma de una disminución de la cantidad de portlandita y un incremento en la presencia de aluminatos cálcicos de tipo monocarboaluminato y hemicarboaluminato, que se acentúa al incrementar el porcentaje de sustitución. En cuanto a las propiedades en estado fresco, se ha observado una reducción de la trabajabilidad de pastas y morteros con la adición de cantidades crecientes de puzolana, así como una aceleración del fraguado en los cementos RCA-50. No obstante, ambos cementos RCA-20 y RCA-50 cumplen con los requisitos físicos establecidos en la norma europea para cementos EN 197-1. Por otro lado, las resistencias mecánicas en los morteros RCA-20 y RCA-50 se ven reducidas, alcanzando descensos de un 10 % y un 40 %, respectivamente, con respecto al mortero OPC a 28 días de curado por inmersión en agua a temperatura ambiente. En cuanto a las propiedades de transporte de agua de los morteros elaborados con puzolana RCA, se ha observado que el tamaño de los poros y su conectividad se ven reducidos con la incorporación del residuo, especialmente para los morteros RCA-50, exhibiendo al mismo tiempo un mayor volumen total de poros. Como consecuencia, se pudo comprobar que la densidad aparente de los morteros derivados de los cementos binarios se reduce y la absorción total de agua, así como la penetración de agua bajo presión, aumenta, especialmente en los morteros RCA-50. Por el contrario, la velocidad de absorción de agua por capilaridad disminuye en los morteros RCA-20 en un 24 % con respecto a los morteros OPC, mientras que los morteros RCA-50 muestran una velocidad equivalente a la de la referencia. En cuanto a la retracción por secado, son los morteros OPC y RCA-20 los que se comportan de forma similar, observándose las mayores retracciones en los morteros RCA-50. La capacidad de difusión de iones cloruro a través de los morteros RCA-20 y RCA-50 experimenta grandes reducciones en comparación con los morteros OPC, que llegan a ser cercanas a un orden de magnitud en el caso de los morteros RCA-50. Esto se produce por la capacidad de captación de iones cloruros por parte de los aluminatos cálcicos y por el incremento en la complejidad de la red porosa, siendo el primer aspecto más relevante en el caso de los morteros RCA-20, mientras que el segundo presenta una mayor contribución para los morteros RCA-50. Sin embargo, el contenido crítico de cloruros requerido para iniciar la corrosión de las armaduras embebidas en estos morteros se reduce dramáticamente con la adición de RCA, como consecuencia de su menor reserva alcalina. Teniendo en cuenta ambos aspectos, se ha comprobado que los morteros que contienen RCA presentan una mayor protección a la corrosión inducida por iones cloruro, que resulta más efectiva en los morteros RCA-20. Por el contrario, la reducción en la reserva alcalina provoca una mayor susceptibilidad a la carbonatación de los materiales derivados de los cementos binarios. Aunque este efecto es poco significativo en las matrices de los cementos RCA-20, para los cementos RCA-50 el incremento es notable, observándose claramente que el proceso en estos materiales produce, no solo la carbonatación de la portlandita, sino también de otras fases cálcicas como los geles C-S-H o la etringita. Por último, las pastas de tipo RCA-20 y RCA-50 presentan comportamientos contrapuestos bajo la acción de iones sulfato. Las pastas RCA-20 experimentan daños de mayor gravedad que los observados en las pastas OPC como consecuencia de la exposición, mientras que las pastas RCA-50 muestran las mejores resistencias al ataque por sulfatos, aunque presentan signos de deterioro a edades más cortas que las pastas OPC. Este hecho se relaciona, por una parte, con las características de la microestructura de las pastas, que en el caso de las pastas RCA-50 fomenta la formación de cristales en los poros de menor tamaño al inicio de la exposición, conduciendo a la aparición de fisuras. No obstante, por otro lado, la baja disponibilidad de calcio y la abundancia de fases de tipo carboaluminato en las pastas RCA-50 favorecen el mantenimiento de bajos niveles de supersaturación con respecto a la precipitación de etringita, lo que explica su mejor resistencia al ataque por sulfatos a largo plazo. Por el contrario, el mayor refinamiento de los poros de las pastas RCA-20 con respecto a las pastas OPC y los altos contenidos de aluminio y calcio en estas conducen a un mayor grado de deterioro a altos tiempos de exposición con respecto al resto de cementos bajo estudio. Los resultados obtenidos en esta tesis indican que el uso de RCA como puzolana en un nivel de sustitución del 20 % da lugar a cementos con características prometedoras, al ser estas similares - o en ocasiones superiores - a las del cemento OPC, aunque no resultan adecuados para su empleo en ambientes ricos en sulfatos. Por el contrario, la adición de RCA en altos niveles de sustitución (50 %) origina cambios significativos en las propiedades del cemento, de forma que su empleo podrá ser beneficioso o perjudicial en función del tipo de ambiente y aplicación prevista.