VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia

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1 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia EVOLUCIÓN DE LAS RESISTENCIAS MECÁNICAS DE SISTEMAS TERNARIOS CEMENTO/CENIZA VOLANTE/CENIZA DE LODO DE DEPURADORA: EFECTOS PUZOLÁNICOS COMPLEMENTARIOS. M.V. Borrachero, J. Payá, J. Monzó, M. Bonilla, I. Girbés. Grupo de Investigación en Química de los Materiales de Construcción (GIQUIMA) Depto. Ingeniería de la Construcción y de Proyectos de Ingeniería Civil Universidad Politécnica de Valencia. Camino de Vera s/n Valencia RESUMEN Es bien conocida la reactividad de las cenizas volantes (CV) procedentes de las centrales termoeléctricas de carbón. En la mayoría de los casos se trata de residuos pulverulentos con características puzolánicas, que dosificados en morteros y hormigones de cemento Portland producen un aumento relativo de las resistencias mecánicas a tiempos largos de curado, normalmente en el período días. Este hecho hace que sustituciones elevadas de cemento (C) por ceniza volante (superiores al 30% en masa) produzcan conglomerantes de bajas resistencias mecánicas en los primeros 28 días de curado. Sin embargo la combinación con una segunda puzolana más reactiva, y de bajo coste, permitiría alcanzar resistencias comparativamente más elevadas a edades más cortas, manteniendo elevadas reducciones en el contenido en cemento y sin coste económico adicional. La ceniza obtenida por incineración de lodos de depuradora (CLD) de aguas residuales urbanas presenta las características idóneas de reactividad y bajo coste (puesto que es un residuo con suficiente proporción de contenido puzolánico). Por ello, parece el material adecuado para preparar sistemas ternarios C/CV/CLD que den lugar a conglomerantes hidráulicos de bajo coste y elevada resistencia mecánica a tiempos medios (28 días) y largos (90 días). En este trabajo se estudia este sistema ternario C/CV/CLD, analizando la influencia de las dos contribuciones puzolánicas y el efecto complementario sobre las resistencias a compresión y a flexotracción en morteros, en especial con dosificaciones que impliquen grandes reducciones de contenido de cemento, con el objeto de generar materiales de menor coste y que supongan niveles de reutilización elevados. 1. INTRODUCCIÓN En el proceso de depuración de aguas residuales, se obtiene como subproducto un fango o lodo. La producción de fangos, que parcialmente se gestiona como enmienda orgánica en usos agrícolas, sobre todo en las grandes áreas metropolitanas implica un volumen de residuos muy elevado. Para reducir su volumen, una alternativa es incinerar los lodos sobrantes, obteniendo cenizas de lodo de depuradora, que llegan a reducir el volumen del lodo hasta un 90%. Las cenizas así obtenidas son residuos cuya destino final es depositarlas en vertederos controlados. Su posible utilización como sustituto parcial del cemento en morteros y hormigones se plantea como una alternativa interesante desde el punto de vista económico y tecnológico. Existen varios estudios para su incorporación en la fabricación de ladrillos, [1], o a morteros y hormigones[2-4], como enmiendas al suelo [5], o en la fabricación de pavimentos asfálticos [6]. En la aplicación como sustituto parcial del cemento portland para la preparación de mezclas cementantes, trabajos previos han demostrado que la ceniza de lodo de depuradora 601

2 Borrachero, Payá, Monzó, Bonilla y Girbés (CLD) posee un carácter puzolánico importante, incrementando las resistencias mecánicas de los morteros en el periodo de curado entre 7 y 28 días [3-4]. Sin embargo, la utilización de CLD en morteros produce una reducción de la fluidez de los mismos, limitando su uso en algunos casos[7]. Por otra parte es bien conocida la capacidad de las cenizas volantes de central térmica de carbón (CV) para mejorar la fluidez de morteros y hormigones, debido a la forma esférica de las partículas, que producen un efecto lubricante, mejorando así la trabajabilidad [8]. Puesto que algunas investigaciones en curso con CLD indican que los morteros que las contienen, mejoran sus resistencias mecánicas a tiempos cortos [9], mientras que los morteros que contienen CV manifiestan un aumento significativo de dichas resistencias a tiempos largos debido al carácter puzolánico de estas últimas [10], la incorporación simultánea de éstas adiciones al cemento podrían permitir conjugar sus propiedades, para la obtención de hormigones con matrices mixtas y prestaciones superiores. En este trabajo se estudia el sistema ternario C/CV/CLD, analizando la influencia de las dos contribuciones puzolánicas y el efecto complementario sobre las resistencias a compresión y a flexotracción en morteros, sobre todo con dosificaciones que impliquen grandes reducciones de contenido en cemento, con el objeto de generar materiales de menor coste y que supongan niveles de reutilización elevados. 2.EXPERIMENTAL. Para llevar a cabo este estudio se ha utilizado los siguientes materiales. -Cemento Portland tipo I-42.5, suministrado por la Compañía Valenciana de Cementos de su factoría en Buñol (Valencia) - Árido de tipo siliceo con un módulo de finura de Ceniza procedente de la incineración de lodos de depuradora (CLD) de la estación depuradora de aguas residuales de Pinedo (Valencia). En dicha estación, la combustión se produce en lecho fluidificado a una temperatura aproximada de 800 C. -Ceniza volante silicoaluminosa (F) de central termoeléctrica de carbón de la central de Andorra (Teruel). Se trata de una ceniza puzolánica con un diámetro medio de 31.67µm. En la tabla 1 se presenta la composición química del cemento y de las cenizas, y en la figura 1 se muestran las curvas granulométricas de los dos tipos de cenizas. Para su determinación se ha utilizado un equipo Malvern Mastersizer 2000 de análisis granulométrico por difracción láser y en la figura 2 se muestra la forma de las cenizas por microscopía electrónica donde se aprecia la forma esférica de las partículas de CV y la forma irregular de las partículas de CLD. Para la realización de estas microfotografías se ha utilizado un microscopio electrónico JEOL JSM Tabla 1.- Composición química del cemento Portland y de los dos tipos de cenizas: CLD y CV Parámetro CLD CV OPC P.F.* CaO SiO Al 2 O Fe 2 O MgO K 2 O Na 2 O SO * Pérdida al fuego 602

3 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos 6 5 CV Volumen (%) CLD Tamaño particula (µm) (mm) Figura 1. Distribución granulométrica de las cenizas utilizadas en este trabajo ) (a b) ( ) (c d) ( Figura 2. Fotografias de SEM de a) y b) CLD, c) y d) CV 2.1 Determinación de la trabajabilidad. La trabajabilidad se determinó siguiendo las norma UNE Para ello, fue necesario preparar los morteros siguiendo las norma UNE , mezclando 450g bien de cemento portland o de mezcla cemento/cv/cld), 1350g de árido, y volúmenes de agua comprendidos entre 200 y 225mL. Los morteros así preparados se situan sobre la mesa de trabajabilidades, sometiendo ésta a las sacudidas correspondientes y determinando el valor de la semisuma del diámetro máximo y mínimo del cono deformado de mortero (FTS) 603

4 Borrachero, Payá, Monzó, Bonilla y Girbés 2.2 Preparación de probetas de mortero para la determinación de resistencias La preparación del mortero se llevó a cabo siguiendo las norma UNE , mezclando 450g bien solo de cemento portland o de mezcla cemento/cv/cld, 1350g de árido, y 200 ml de agua. Una vez preparadas las probetas se mantuvieron 24 horas en cámara húmeda a 20±1 C, posteriormente se desmoldearon y o se volvieron a introducir en la cámara humeda hasta la realización del ensayo, o bien se introdujeron en un baño termostático a 40±1 C hasta la fecha de rotura. 3.DISCUSIÓN DE RESULTADOS. 3.1 Trabajabilidad Se ha preparado morteros conteniendo 0, 10 y 20% de CLD con cantidades crecientes de CV entre el 0 y el 50%.Los resultados de trabajabilidad para dichos morteros se presentan en la Figura 3. Primeramente, se puede constatar un aumento lineal de la trabajabilidad con el porcentaje de CV, como cabría esperar debido al efecto lubricante producido por las partículas esféricas de CV adicionadas. En segundo lugar, para un mortero con un contenido fijo de CV, la trabajabilidad disminuye conforme aumenta el contenido en CLD, no obstante todos los morteros presentan una trabajabilidad superior al mortero de control que no contenía adiciones, a excepción de las que no contienen CV. 140 FTS (mm) %CV 0%CLD 10%CLD 20%CLD Figura 3.- Variación de la trabajabilidad con el porcentaje de CV, para distintas cantidades fijas de CLD y volumen de agua constante de 200 ml 3.2 Resistencias Mecánicas Se ha preparado morteros control con solo cemento y morteros con cantidades iguales de CV y CLD junto con otros morteros que presentaban el mismo porcentaje total de sustitución de ceniza, pero en este caso únicamente de CV. De esta forma el porcentaje de cemento Portland presente en ambos tipos de morteros fue el mismo. El estudio permitió pues, comparar el comportamiento en cuanto a resistencias producido por el efecto de la CV y CLD. 604

5 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos En la figura 4 se muestran las resistencias a flexotracción de los morteros con sustitución creciente de cemento por CV (figura 4a) o y por mezclas de igual proporción CV/CLD (figura 4b). 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% tiempo (días) %CV % tiempo (días) %CV/CLD (a) (b) Figura 4. Resistencias a flexión de morteros respecto al tiempo de curado de morteros conteniendo sustituciones de cemento por CV o por mezclas 1:1 CV/CLD. Como se observa en la Figura 4, los valores de resistencia a flexión son altos en los morteros con CV, hecho ya comprobado en otros trabajos previos, durante el periodo 7-28 días y para sustituciones de hasta el 40%, siendo similares o superiores al mortero con solo cemento. Por otra parte la presencia de CLD solo disminuye ligeramente la resistencia a 3 días de curado y para sustituciones cercanas al 60%, siendo el resto de valores para todos los morteros similares o incluso ligeramente superiores. 60% 50% 40% 30% 20% 10% %CV 60% %CV/CLD 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% tiempo (días) % tiempo (días) (a) (b) Figura 5. Resistencias a compresión de morteros respecto al tiempo de curado de morteros conteniendo sustituciones de cemento por CV (a) o por mezclas 1:1 CV/CLD (b). Con respecto a los valores de resistencia a compresión (Figura 5), se puede afirmar que el efecto de la CLD es beneficioso, ya que su efecto puzolánico se manifiesta sobre todo a tiempos cortos de curado, siendo claramente mayor la resistencia a compresión de los morteros que contienen CLD que los que sólo contienen CV. Para remarcar, el efecto positivo de la CLD en relación con los morteros con mezclas binarias (cemento/cv), en la siguiente figura se representa el índice resistente relativo de 50% 40% 30% 20% 10% 605

6 Borrachero, Payá, Monzó, Bonilla y Girbés actividad, de la CLDrespecto de la CV, en función del tiempo de curado y el porcentaje total de sustitución. Este índice de actividad, se calcula como: AI ( Ri ) CV / ( R i ) CV CLD ( CLD) = (1) siendo (R i ) CV/CLD, el valor de resistencia a compresión en el mortero con mezcla CV/CLD, y (R i ) CV, la resistencia a compresión para el mortero con CV, ambos valores para un mismo porcentaje total de sustitución y una misma edad de curado. 1,400 1,200 3 días 7 días 14 días 28 días R(CV/CLD)/R(CV) 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 10% 20% 30% 40% 50% 60% Porcentaje de sustitución Figura 6. Variación de los valores de AI (CLD), respecto al porcentaje de sustitución, en función del tiempo de curado De los resultados que se muestran en la figura 6, se pueden hacer las siguientes consideraciones: Excepto para sustituciones del 50-60% y tiempos cortos de curado, la presencia de CLD mejora la resistencia a compresión de los morteros con CV (Valores AI CLD superiores a 1) Para sustituciones de hasta un 30%, este efecto se manifiesta sobre todo a tiempos cortos de curado (3 días). Para sustituciones elevadas (50-60%), el efecto de la CLD se manifiesta notoriamente a 28 días de curado. parece que es fundamental, para comparar la reactividad, el nivel de portlandita liberada por el cemento. Este comportamiento podría ser utilizado a conveniencia, para obras donde se suelen utilizar cenizas volante. La utilización de la mezcla CV/CLD no empeoraría la trabajabilidad y con bajos porcentajes de sustitución (10-30%) se obtendrán resistencias iniciales altas, o con elevadas sustituciones de mezcla CV/CLD (50-60%)se obtendrían resistencias altas a días. 3.3 Estudio de resistencias mecánicas a 40 C La reacción puzolánica, y en concreto su velocidad dependen de la temperatura, de modo que un incremento de la temperatura supone generalmente, aumentos en la fijación de cal, y por ende, aumentos en los productos de hidratación. En las tablas 2 y 3 se recogen los valores de resistencia a flexión y compresión de morteros control con solo CV (Tabla 2 ) y morteros con cantidades iguales de CV/CLD con el 606

7 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos mismo porcentaje total de sustitución(tabla 3), curados a 40 C. Se puede comparar el efecto de la temperatura en la actividad puzolánica de la ceniza volante y de la mezcla CV/CLD y su contribución a la resistencia mecánica.. Tabla 2. Resistencias Mecánicas de morteros conteniendo CV curados a 40 C CV % sustitución 3 días 28 días R. Flexión R.compresión R. Flexión (Mpa) (Mpa) (Mpa) 0% % % % % % % R.compresión (Mpa) Tabla 3. Resistencias Mecánicas de morteros conteniendo mezclas CV/CLD curados a 40 C CV/CLD % sustitución 3 días 28 días R. Flexión R.compresión R. Flexión (Mpa) (Mpa) (Mpa) 0% % % % % % % R.compresión (Mpa) Se observa, que como cabía esperar para ambas series de probetas, las resistencias son en general mayores a las obtenidas con el curado a 20 C. Aunque las diferencias entre ambos tipos de probetas se mantienen a tiempos cortos (3 días), son mucho más pequeñas a 28 días de curado, lo que indica que la reacción puzolánica de la CV se ha activado con la temperatura. Este hecho se pone de manifiesto, al representar el índice de actividad resistente, respecto al mortero control, que se calcula según la ecuación siguiente: AI ( Ri ) ( R ) ( control ) = (2) 0 siendo en este caso R i la resistencia a compresión para el mortero con puzolana, bien sea CV o mezcla CV/CLD, R 0, la resistencia del mortero control (0% sustitución). La Figura 7 muestra esta gráfica en función del porcentaje de sustitución. Cabe destacar que a 40 C y tiempos cortos de curado la mezcla sigue siendo más puzolánica que la CV, a pesar de que con la temperatura ya se manifiesta el carácter puzolánico de la CV. A 28 días, al manifestar su potencial puzolánico la ceniza volante, tienden a igualarse los índices, pero sigue siendo ligeramente mayor el índice de la mezcla CV/CLD. 607

8 Borrachero, Payá, Monzó, Bonilla y Girbés AI(control) 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0, % sustitución dias CV/CLD 28 días CV 3 días CV/CLD 3 días CV Figura 7. AI (control) en función del porcentaje de sustitución y del tiempo de curado para morteros con CV o mezclas CV/CLD 4. CONCLUSIONES La ceniza de lodo de depuradora es un residuo que incorporado a morteros y hormigones presenta una gran demanda de agua. La utilización de mezclas CV/CLD corrige este efecto debido al carácter lubricante de las CV produciéndose un aumento de la trabajabilidad respecto al mortero control Las mezclas en igual proporción de CV/CLD, incorporadas a morteros presentan en general mayores resistencias mecánicas que los morteros con solo CV e igual porcentaje total de sustitución. Para sustituciones de hasta un 30%, este efecto se manifiesta sobre todo a tiempos cortos de curado (3 días). Para sustituciones elevadas (50-60%), el efecto de la CLD se manifiesta notoriamente a 28 días de curado, ya que la cal disponible es menor. Si se produce un aumento de la temperatura de curado de los morteros (20 a 40 C), se produce mayores valores de resistencia mecánica en los morteros, debido al incremento de la actividad puzolánica de los residuos En general, el carácter puzolánico de la mezcla CV/CLD es mayor 40 C y tiempos cortos de curado que solo la CV. Este efecto se atenúa a tiempos largos de curado y 40 C donde la ceniza volante actúa preferentemente. 5. BIBLIOGRAFIA 1. J.E.Alleman, N.A.Berman. Constructive sludge management: biobrick, J.Environ Engng. Div. ASCE 110, , J.H.Tay Sludge as a filler for portland cement concrete. J.Environ Engng. Div. ASCE 113, , J.Monzó, J.Payá, M.V.Borrachero and A.Córcoles. Use of sewage sludge ash(ssa)- cement admixtures in mortars, Cem Concr Res 26, , J.Monzó, J.Payá, M.V.Borrachero and E.Peris-Mora. Mechanical behavior of mortars containing sewage sludge ash (SSA) and portland cements with different tricalcium aluminate content, Cem Concr Res 29, 87-94,

9 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos 5. R.M.Bierman, C.J.Rosen, P.R.Bloom and E.A.Nater. Soil solution chemistry of sewage sludge incineratos ash and phosphate fertilizar amended soli., J. Environ. Qual., 24, , M.H.Al Sayed, I.M.Madany, A.R.M.Buali. Use of sewage sludge ash in asphaltic paving mixes in hot regions, Constr Build Mater 9, 19-23, J.Monzó, J.Payá, M.V.Borrachero, A.Córcoles Utilización de cenizas procedentes de la incineración de lodos de depuradora (CLD) en la construcción. Proceeding del I Congreso Nacional de Materiales Compuestos, Sevilla, España, , J. Payá, J.Monzó, M.V.Borrachero, E.Peris-Mora, E.Gonzalez-López. Mechanical tratment of fly ashes. Part II: Particle morphologies in ground fly ashes (GFA) and workability of GFA-cement mortars, Cem. Concr. Res., 26, , J.Monzó, J.Payá,M.V.Borrachero, A.Bellver, E.Peris-Mora. Study of cement-based mortars containing spanish ground sewage sludge ash., Proceeding Waste Materials in Construction: Putting theory into practice, Dundde, Gran Bretaña, , J.Monzó, J.Payá, E.Peris-Mora. A preliminary study of fly ash granulometric. Influence on mortar strength. Cem. Concr. Res., 24, 791,