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1. Introducción
La generación y gestión de los residuos constituye un problema ambiental grave de las sociedades modernas. El abandono o la gestión inadecuada de los residuos producen impactos notables en los medios receptores, y pueden provocar contaminación en el agua, en el suelo, en el aire, contribuir al cambio climático y afectar a los ecosistemas y a la salud humana. Sin embargo, cuando los residuos se gestionan de forma adecuada, se convierten en recursos que contribuyen al ahorro de materias primas, a la conservación de los recursos naturales y del clima, y al desarrollo sostenible (PNIR, 2008).
Algunos de los residuos pueden ser utilizados en hormigones como adiciones minerales, las cuales son definidas como materiales inorgánicos, puzolánicos o de hidraulicidad latente, que finamente divididos pueden ser añadidos al hormigón y al mortero a base de cemento Pórtland con el fin de mejorar alguna de sus propiedades o conferirle características especiales (Hewlett, 1998).
En el presente trabajo, además de ceniza de lodo de depuradora (CLD), se utilizaron tres residuos generados en diferentes procesos industriales: a) Ceniza volante de central termoeléctrica de carbón (CV); b) Polvo de mármol (PM); d) Ceniza de cascarilla de arroz (CCA). Dos de estos residuos, CLD y PM, suponen un grave problema a escala local debido al volumen producido: la cantidad de lodo de depuradora producido en España fue de aproximadamente 1,06 millones de toneladas de materia seca (European Commission, 2010). El destino de la CLD es: uso como fertilizante (65-80%), depósito en vertederos controlados (8-20%) o incineración para reducir su volumen. Alrededor de un 4-10% de la cantidad total de lodos se incineran, pero la tendencia es aumentar esta cantidad hasta un 20-25%, que es el porcentaje medio de lodos de aguas residuales que son incinerados en Europa (European Commission, 2010; Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, 2013; Cyr et al., 2007). El problema que presentan estos residuos tras su incineración es la presencia de metales pesados en su composición, lo cual lo convierte en un potencial contaminante y justifica una intensa búsqueda de alternativas a su depósito en vertedero. Respecto al PM, aunque no es un residuo peligroso según la lista europea de residuos (Ministerio de Medio Ambiente, 2002), con un 98% de carbonato cálcico, su vertido incontrolado constituye un problema histórico a escala local, ya que puede provocar daños ambientales, fundamentalmente por impacto visual y por contaminación de cursos de agua. Actualmente la provincia de Alicante (España) produce y exporta el 70% del mármol nacional, siendo el país el 2º productor europeo y 7º mundial. Dicha actividad genera en la comarca donde se concentra la industria cerca de 500000 toneladas anuales de fangos como consecuencia del corte y pulido de la piedra natural (Asociación del Mármol de Alicante, 2013).
Es conocido el efecto de estos residuos de manera individual o combinados, esto último en menor medida, como sustitutos del cemento en matrices conglomerantes convencionales:
En el caso de la CLD, por ejemplo cuando fue utilizada como sustitución parcial del cemento en proporciones del 10%, o con 2% de sustitución de arena, las probetas de hormigón presentaron resistencias a la compresión similares a las muestras control. En cuanto al estudio de lixiviación, los resultados indicaron que la mezcla de cenizas CLD con cemento y arena para producir mortero u hormigón indujeron una estabilización de Molibdeno y Selenio, siendo un buen tratamiento de las cenizas (Chen et al., 2013). Otros trabajos han demostrado también que morteros que contienen CLD presentan buenas propiedades mecánicas (Monzó et al., 1996; Alcocel et al., 2006). La mejora observada se debe a la actividad puzolánica de la CLD (Payá et al., 2002).
Las CV se han empleado desde hace varias décadas como adiciones y sus características más destacadas son: esfericidad de sus partículas, elevados contenidos en SiO2 y Al2O3 vítreos y actividad puzolánica a tiempos medios y largos. La incorporación de las CV en mezclas con el cemento Portland, aumenta la trabajabilidad y consistencia de los morteros y hormigones (Peris et al., 1993).
En los sistemas ternarios cemento/CLD/CV para la fabricación de aglomerantes, las CLD poseen una puzolanidad importante, incrementando las resistencias mecánicas de los morteros entre los 7 y los 28 días. Así mismo, la CLD reduce la fluidez de los morteros mientras que la CV la mejora (Monzó et al., 1999; Borrachero et al., 2002).
Diversos estudios demuestran que la adición de PM en matrices cementantes es efectiva para mejorar la cohesión de la mezclas, permite sustituir hasta un 10% de arena sin afectar a la resistencia a compresión, con un mejor comportamiento mecánico con respecto a mezclas que contienen filler calizo, y proporciona una menor permeabilidad al agua (Corinaldesi et al., 2010; Binici et al., 2007).
En trabajos en los que se utilizó CCA como sustituto parcial del cemento en hormigones, los resultados para sustituciones del 25% mostraron los mismos o mejores resultados en comparación con el hormigón convencional (Khana et al., 2012). Con sustituciones de hasta el 30% se producían mejoras en la durabilidad y la homogeneidad, no aumentando la resistencia a compresión a edad temprana aunque mejoraba a edades más avanzadas (Madandoust et al., 2011).
El principal objetivo del presente trabajo fue ampliar el conocimiento sobre las sinergias generadas en los estados fresco y endurecido de hormigones destinados a la fabricación de bloques prefabricados (con características particulares debido su proceso de fabricación), al sustituir parcialmente o adicionar el cemento Portland con los residuos de manera individual y combinados de forma binaria y ternaria, con especial atención sobre la CLD. Está basado parcialmente en otros trabajos anteriores relacionados con: sustitución de cemento en pastas y morteros por combinaciones binarias y ternarias de residuos (Baeza et al., 2014a) y adición de CLD respecto al cemento en hormigones destinados a la fabricación de bloques (Baeza-Brotons et al., 2014b). El resto de los nuevos datos aportados se encuadran en el marco de la tesis doctoral sobre uso de CLD en este ámbito (Baeza-Brotons, 2012). El origen de todos estos estudios, basados en la utilización de CLD, se encuentra en la investigación sobre bloques de hormigón prefabricado (Pérez-Carrión et al., 2014), en el que la adición de CLD aporta unas interesantes respuestas mecánicas, con mejoras respecto al patrón de hasta el 25%.
A pesar de que los resultados obtenidos en este estudio, con probetas cúbicas de hormigón, no serían comparables directamente con los resultados que se obtendrían con bloques de hormigón fabricados en planta, ya que difieren en sus dimensiones, configuración y proceso de fabricación, sin embargo, dado que existe coincidencia en la dosificación, este trabajo podría suponer un paso previo a la fabricación piloto de bloques en planta con aquellas adiciones con una mejor respuesta técnica en laboratorio.
2. Procedimiento experimental
2.1. Material.
Las adiciones minerales utilizadas (Figura 1) tienen la siguiente procedencia: a) La ceniza de lodo de depuradora (CLD) fue suministrada a granel por la planta incineradora de la estación depuradora de aguas residuales de Pinedo en Valencia (España), donde fue obtenida de la descarga del filtro electrostático en el incinerador de lecho fluidizado, con una temperatura máxima aplicada de 800 ºC; b) La ceniza volante (CV) de la central termoeléctrica de carbón de Andorra-Teruel (España) suministrada igualmente a granel; c) El polvo de mármol (PM) fue obtenido de un vertedero situado en el municipio de Novelda en la provincia de Alicante (España), que recoge los residuos generados por numerosas industrias locales; d) La ceniza de cáscara de arroz (CCA) procede de DACSA, una planta de cogeneración de energía en Valencia (España) que utiliza la cáscara de arroz como uno de los combustibles.
Figura 1 Adiciones minerales utilizadas en la investigación (de izquierda a derecha): Ceniza de lodo de depuradora (CLD); ceniza volante (CV); polvo de mármol (PM); ceniza de cáscara de arroz (CCA).
El cemento Portland utilizado en los morteros fue del tipo CEM II/B-L-32,5R, suministrado en sacos de 25 kg. El árido de los morteros el de referencia CEN, EN 196-1, suministrado en bolsas con la cantidad requerida (1350 g). El cemento Portland utilizado en los hormigones fue del tipo CEM II B-M (S-LL)-42,5R, el mismo que el usado en planta local para la fabricación de los bloques de hormigón; se trata por tanto de un cemento mixto, de clase resistente 42,5 N/mm2 y alta resistencia inicial, con la siguiente composición porcentual en masa: clínker entre un 65-79%, escoria de alto horno más caliza entre 21-35% y otros componentes minoritarios entre 0-5%, según la instrucción para la recepción de cementos española (RC-08). Los áridos, triturados de tipo calizo, fueron facilitados por la planta de fabricación de bloques citada y se correspondían con las fracciones granulométricas designadas según la instrucción de hormigón estructural española (EHE-08) como F1:0/4-T-C y F2:2/8-T-C.
2.2. Dosificación y denominación de las mezclas.
El mortero tomado como referencia, denominado patrón (P), es el indicado en la norma UNE-EN 196-1(AENOR, 2005): una parte de cemento, tres partes de arena y media parte de agua, manteniendo constante en todas las mezclas la relación agua/bínder, o lo que es lo mismo agua/(cemento+adiciones minerales), igual a 0,5.
Se planteó un tipo de hormigón de referencia con dosificación similar a la usada en la fabricación de bloques en la planta local de prefabricados, de consistencia seca (asiento en Cono de Abrams igual a cero). Dicha consistencia es imprescindible en el proceso de elaboración de estos prefabricados, ya que el hormigón es vertido en los moldes y separado de los mismos de manera inmediata para su curado. La dosificación patrón, en kg por m3, fue la siguiente: 125,6 kg de cemento, 85,6 kg de agua, 1227 kg de árido fracción 0/4 y 571 kg de árido fracción 4/8. En todas las mezclas se mantuvo constante la relación agua/bínder igual a 0,68. Se puede observar que las cantidades de agua y cemento son inferiores a las de un hormigón convencional; si a esto le unimos una elevada proporción de áridos finos (F-0/4), lo que lleva asociado una mayor absorción de agua, el resultado es un hormigón en estado fresco con una consistencia muy seca.
Además de las muestras patrón descritas, fueron realizadas 18 dosificaciones de los distintos residuos en ambas matrices cementantes divididas en cuatro grupos:
a) Sustituciones del 10% de cemento respecto a la muestra patrón por cada uno de los residuos minerales estudiados. De esta manera, en la mezcla denominada S10(D) se sustituyó el 10% de cemento por CLD, en la S10(A) por CCA, en la S10(M) por PM, y en la S10(V) por CV;
b) Sustituciones del 20% de cemento. Además de la mezcla S20(D), donde se sustituye el 20% de cemento por sólo CLD, se realizaron combinaciones binarias (10+10%) de dos residuos en las muestras S20(DV), S20(DM), S20(MV) y S20(DA);
c) Sustituciones del 30% de cemento: mezcla S30(D), sólo con CLD, combinación ternaria S30(DVA), con 10% de cada uno de residuos, y S30(DA), con 20% CLD y 10% CCA;
d) Escala de adiciones de CLD respecto al cemento del 5, 10, 15 y 20%, denominadas A5(D), A10(D), A15(D), A20(D), adición del 15% de PM, denominada A15(M), y por último sustitución del 10% de la arena de la dosificación patrón por CLD, denominada Sa10(D).
2.3. Programa experimental y procedimiento.
Como paso previo a la fabricación de las probetas de hormigón, se realizó el ensayo de Fluorescencia de Rayos X de las adiciones minerales, utilizando para ello un espectrómetro secuencial de rayos X (Philips Magix Pro) equipado con tubo de rodio y ventana de berilio. Por otro lado, se determinó la resistencia a compresión de los morteros curados durante 28 y 90 días (cada muestra representada por tres probetas), según norma española UNE-EN 196-1 (AENOR, 2005) y usando una prensa multiensayos Suzpecar MEM-101-10A.
Cada muestra de hormigón estaba representada por seis probetas cúbicas de 150 mm de lado (Figura 2), tres destinadas a ensayos físicos y otras tres a ensayos mecánicos, con una edad de curado de 28 días.
Figura 2 Procedimiento para la fabricación de las probetas de hormigón (de izquierda a derecha): Probetas cúbicas de 150 mm de lado; mezclado previo de los componentes en seco; mezclado en hormigonera; conservación de las probetas en cámara húmeda.
Los ensayos realizados sobre estas probetas fueron los siguientes (Figura 3): obtención de la densidad con masa seca (Dms), absorción de agua (Abs) y resistencia a compresión (Rc), todos ellos incluidos en la lista de ensayos iniciales establecidos por normativa europea EN 771-3 (AENOR, 2011), a aplicar en bloques de hormigón prefabricados. Se siguió el procedimiento indicado en las normas de referencia UNE-EN 12390-2 (AENOR, 2001), UNE-EN 12390-3 (AENOR, 2003) y UNE-EN 12390-7 (AENOR, 2009).
3. Resultados y discusión
3.1.1. Fluorescencia de rayos X de los residuos industriales utilizados como aditivos.
En la Tabla 1 se recogen los resultados sobre concentración de óxidos de las cuatro adiciones minerales utilizadas obtenidos mediante Fluorescencia de Rayos X.
Tabla 1 Concentración de óxidos (% en masa) de los residuos industriales - Análisis por fluorescencia de rayos X.
Se observa que la CLD posee un contenido considerable de SiO2 (17,27%) y Al2O3 (9,64%), lo que genera una buena expectativa para su aplicación como adición mineral activa en conglomerantes a base de cemento Pórtland. Destaca también el contenido en CaO, SO3, P2O5 y Fe2O3. La CV tiene un alto contenido en sílice (36,70%) y alúmina (25,57%), mucho mayor que la CLD, por tanto se podría decir que se trata de adición mineral puzolánica y clasificarla como CV de tipo F (según la norma ASTM C618). También destaca su contenido en Fe2O3. En el caso del PM su contenido esencial es CaO (64,25%), por tanto se espera de él un comportamiento como residuo mineral inerte. Por último, la CCA compuesta básicamente de SiO2 (81,57%), por tanto también con elevadas expectativas como adición puzolánica.
3.1.2. Resistencia a comprensión de los morteros.
Partiendo de los datos recogidos en la Tabla 2 y la Figura 4, con los valores medios de resistencia a compresión de las probetas representativas de cada amasada para edades de curado de 28 y 90 días, se podrían hacer las siguientes consideraciones:
Como era de esperar, los valores se incrementan positivamente con el tiempo de curado en todas las mezclas.
En general la resistencia a compresión no alcanza la de la muestra patrón (P) en las dos edades de estudio, con excepción en dos mezclas curadas durante 90 días: la "S10(A)", con sustitución del 10% de cemento por CCA, y la "S30(DVA)", con sustitución del 30% de cemento por la combinación de CLD-CV-CCA, donde se llega a superar dicho valor. Sin embargo, es un dato muy positivo que en la mayoría de las mezclas con una edad de 28 días, los valores superan o se encuentran cercanos a la clase resistente del cemento utilizado (32,5 MPa).
Al observar las series de referencia formadas por las escalas de sustituciones y adiciones de sólo CLD, a mayor contenido de dicho material menor resistencia a compresión, con una bajada cercana al 40% respecto al patrón para la muestra "S30(D)" (sustitución del 30% de cemento por CLD). Sin embargo, la muestra "Sa10(D)", con mayor cantidad de CLD que el resto de muestras, al tratarse de una sustitución del 10% de la arena, aporta un resultado muy interesante con un valor relativo del 88%.
Se observa también que las muestras que contienen polvo de mármol (material inerte), de manera individual o combinada, experimentan una bajada en los valores del parámetro estudiado, lo que pone de manifiesto la contribución puzolánica a la resistencia a compresión del resto de adiciones.
Los buenos resultados obtenidos por el uso de CCA y CV individualmente (muestras "S10(A)" y "S10(V)"), se ven reflejados al combinarlos de manera binaria o ternaria con CLD y PM.
Tabla 2 Resistencia a compresión (Rc) en MPa de probetas de mortero con una edad de curado (E) de 28 y 90 días (rel: valor relativo en % respecto a la muestra patrón).
3.2.1. Densidad.
La Tabla 3 y la Figura 5 muestran los valores medios de densidad con masa seca de las probetas de hormigón curadas durante 28 días. No existe gran diferencia entre los valores relativos, alcanzándose prácticamente o superando la densidad patrón. No obstante, en la serie formada por las muestras que sólo contienen CLD, sombreadas de distinto color en la Figura 5, se aprecian dos comportamientos:
En las sustituciones de cemento por dicho material, al aumentar el contenido de CLD se produce una tendencia a la baja de la densidad, lo que puede deberse a que al disminuir la cantidad de cemento los productos obtenidos con la hidratación del mismo disminuyen.
En las adiciones de CLD respecto al contenido de cemento, se observa un comportamiento contrario al anterior, con una tendencia al alza al aumentar la cantidad de CLD. Esto se debe probablemente al efecto que producen los finos ocupando los huecos entre áridos gruesos, lo que compensa su baja densidad relativa. Destaca en este sentido de nuevo la muestra "Sa10(D)", por ser la que mayor cantidad de CLD contenía de todas.
Tabla 3 Densidad con masa seca (Dms) en kg/m3 de probetas de hormigón curadas durante 28 días (rel: valor relativo en % respecto a la muestra patrón).
Figura 5 Densidad con masa seca (Dms) y absorción de agua (Abs) de probetas de hormigón curadas durante 28 días.
En esta matriz cementante tan porosa, parece adquirir más importancia el efecto producido por los finos al ocupar huecos que la propia actividad puzolánica de las adiciones, aunque sean inertes como en el caso del PM.
Destacar también que, con las combinaciones ternarias de los residuos se consiguen valores de densidad levemente superiores al alcanzado por la muestra "S30(D)" (sólo CLD).
3.2.2. Absorción.
La Tabla 4 y la Figura 5 muestran los valores medios de absorción de agua de las probetas de hormigón curadas durante 28 días. En esta variable, al igual que ocurriera con la densidad, no existe gran diferencia entre los valores relativos de las amasadas; sin embargo, también se aprecia que al aumentar la cantidad de cemento sustituido por CLD existe una tendencia al aumento de la absorción, y cuando aumenta la adición de CLD respecto al cemento se produce un descenso de la absorción.
Tabla 4 Absorción de agua (Abs) en % de probetas de hormigón curadas durante 28 días (rel: valor relativo en % respecto a la muestra patrón).
La circunstancia descrita al inicio de este apartado obliga a determinar el grado de relación existente entre la densidad y la absorción de las muestras estudiadas. En base al análisis estadístico, se puede afirmar que existe una relación significativa entre dichas variables de tipo lineal moderadamente fuerte (coeficiente de correlación -0,92), con representación gráfica en la Figura 6.
3.2.3. Resistencia a compresión.
La Tabla 5 muestra los valores medios de resistencia a compresión de las probetas de hormigón representativas de cada amasada, curadas durante 28 días. Los valores de resistencia mecánica fueron bajos debido a la elevada porosidad de los hormigones para este tipo de prefabricados. Por ejemplo, en la muestra patrón se obtuvo una resistencia de 7 MPa.
Tabla 5 Resistencia a compresión (Rc) en MPa de probetas de hormigón con una edad de curado de 28 días (rel: valor relativo en % respecto a la muestra patrón).
Destacan en primer lugar las sustituciones de cemento o adiciones de únicamente CLD, sombreadas de distinto color en la Figura 7. Suponen una reducción de la resistencia a compresión respecto al patrón, aunque algo más acusado en las sustituciones que en las adiciones. Por ejemplo, la muestra S30(D) no supera el 66% del patrón.
Las combinaciones de residuos mejoran los resultados de las sustituciones simples de CLD en todos los casos, con valores muy cercanos o que igualan al patrón en varias mezclas: "S20(DM)", "S20(DA)" o "S30(DA)". Es necesario destacar esta última muestra ya que, con una elevada sustitución de cemento (30%) por 20%CLD más 10%CCA, se podría afirmar que se consigue igualar la resistencia alcanzada por la muestra referencia, 7 MPa en ambas. Por tanto, se consigue un importante ahorro de cemento Portland con una excelente respuesta mecánica.
En las adiciones, aunque pueda parecer que la CLD no tiene influencia en el desarrollo de resistencias, ello no es así, ya que al comparar las muestras "A15(D)" y la "A15(M)", con una adición del 15% de CLD en primer caso y del 15% de PM en el segundo, se puede identificar claramente una diferencia en el comportamiento: la primera ofrece 6,5 MPa frente a los 4,0 de la segunda.
Mención aparte merece la muestra "Sa10(D)", con sustitución de arena. Se había observado un mejor comportamiento en cuanto a la densidad y la absorción. Evidentemente en este caso, debido al incremento de finos, se obtiene una matriz que rellena mejor los huecos, y su evolución mecánica es muy superior al patrón.
4. Conclusiones
El análisis de los resultados obtenidos permite establecer las siguientes conclusiones:
1. Se ha identificado y cuantificado el efecto puzolánico de las adiciones minerales utilizadas.
2. La sustitución de cemento por CLD en los hormigones destinados a la fabricación de bloques, supone una disminución de la densidad y de la resistencia respecto a la muestra patrón. Sin embargo, la sustitución de cemento por combinaciones binarias o ternarias de residuos, mejora notablemente las características físico-mecánicas de los materiales cementantes: aumento de la densidad y aumento de la resistencia a compresión, alcanzando valores cercanos o que igualan al patrón en varias mezclas.
3. La adición de CLD en dichos hormigones, aporta una densidad y una resistencia cercana al patrón (sin adición), mientras que la absorción de agua sufre un descenso considerable. Hay que destacar también el comportamiento de la muestra en la que se sustituye un 10% de la arena por CLD, en la que se observa el mejor comportamiento en cuanto a densidad y absorción; evidentemente en este caso, debido al incremento de finos, se obtiene una matriz que rellena mejor los huecos, y su evolución mecánica es muy superior al patrón y al resto de muestras analizadas en el trabajo.
