Incorporación de escorias siderúrgicas en hormigones autocompactantes de altas prestaciones

Resumen

La tasa de generación de subproductos industriales en el sector metalúrgico siempre ha sido superior a su uso, resultando en gran volumen de acopios en vertederos por ser la forma más sencilla para deshacerse de ellos. Desde comienzos del siglo XXI, en Europa se han establecido metas para minimizar el problema de la contaminación y del cambio climático mediante un modelo sostenible, a través de la reutilización, el reciclaje y la valorización de residuos a través de su transformación en energía o recursos aprovechables. Estas medidas se han ido reforzando sucesivamente con el objetivo de eliminar el vertido. La elevada demanda de materiales de origen natural del sector de la construcción y el impacto ambiental que supone su extracción, permite acoplarse a las medidas propuestas en Europa mediante la valorización de subproductos industriales. Muchas experiencias revelan que las escorias siderúrgicas son materiales perfectamente útiles en la construcción. Incluso, el elevado potencial que aportan las escorias ha superado el comportamiento mecánico de algunos componentes de origen natural. Existen diversos subproductos generados en el sector metalúrgico que dependen del método de fabricación y del material obtenido. El acero en España, se realiza mayoritariamente en hornos eléctricos de arco generando el 80% de la totalidad de las escorias de todo el proceso siderúrgico. Los esfuerzos realizados durante los últimos años se han plasmado en legislaciones autonómicas que admiten el uso de este residuo en capas granulares de carreteras y mezclas bituminosas, así como, también, en la fabricación de hormigones convencionales. Sin embargo, existe un vacío de información y normalización que estimule y garantice su uso en cualquier proyecto. Debido a la morfología de las partículas de escorias de horno eléctrico, se ha observado en experiencias previas, que su incorporación en la misma proporción que los áridos naturales reduce la trabajabilidad del hormigón. Esto ha supuesto una motivación mayor a la hora de estudiar su incorporación en hormigones autocompactantes. Dado que es un material muy resistente, se ha planteado llevar al límite el comportamiento mecánico de las escorias diseñando hormigones de alta resistencia. Los hormigones autocompactantes demandan un elevado contenido de finos que se suman al cemento para completar el volumen necesario de pasta para fluir y aportar estabilidad, estos componentes son conocidos como adiciones. Además de la presencia de una acería en las cercanías de Santander, se encuentra una planta de fundición de hierro dúctil con un horno de cubilote de viento caliente. A pesar de que presenta una tasa de generación de subproductos menor que la acería, los residuos retirados del cubilote son transportados en su totalidad al vertedero. Siguiendo la filosofía de valorización de subproductos industriales y la demanda de finos del hormigón autocompactante, nace la idea de aprovechar este residuo mediante su valorización e incorporación como adición. En resumen, el objetivo final de esta Tesis es la fabricación de hormigones autocompactantes de elevada resistencia y baja permeabilidad mediante la incorporación de escorias de horno eléctrico como árido grueso y fino, así como también, de la escoria de cubilote, tras ser valorizada, como adición. El desarrollo del objetivo propuesto se ha realizado en distintas fases: En la primera fase se han determinado las características de todos los componentes empleados. En el caso de los residuos, se presta importante atención a la estabilidad volumétrica, así como, también, a los requisitos medioambientales. Los materiales estudiados corresponden a escorias siderúrgicas, áridos naturales finos y gruesos, adiciones de origen natural e industrial, cemento y aditivos superplastificantes. La segunda fase consiste en un estudio experimental previo llevado a cabo sobre morteros para evaluar el efecto de la incorporación de la escoria de cubilote como sustituto del cemento. Adicionalmente, se realiza una comparación con mezclas, fabricadas por separado, con escoria de cubilote y dos de las adiciones más empleadas en la actualidad como son, el filler calizo y las cenizas volantes. En la tercera fase se diseña el hormigón con escorias siderúrgicas, partiendo de una dosificación patrón fabricada por triplicado con las tres adiciones disponibles. El árido grueso de origen natural empleado corresponde a ofita, por su magnífico comportamiento mecánico, siendo un requisito necesario para obtener hormigones de alta resistencia. La fabricación de estos hormigones ha permitido contrastar el efecto de la escoria de cubilote en las mezclas. Como punto intermedio entre la dosificación y la fabricación de hormigón, se han realizado pruebas con morteros fluidos manteniendo las proporciones de cada dosificación y excluyendo el árido grueso. En la cuarta y última fase se lleva a cabo la caracterización de los hormigones confeccionados con árido natural, así como, también, la dosificación con árido siderúrgico. La campaña de ensayos en estado fresco incluye la determinación de la capacidad de flujo, paso y relleno de los hormigones autocompactantes, mientras que en estado endurecido, se determinan las propiedades físicas, mecánicas, microestructurales y de durabilidad en condiciones agresivas. El resultado del estudio permite comprobar que se pueden elaborar hormigones fluidos, estables y de altas prestaciones, con escorias siderúrgicas. La incorporación de un importante volumen de residuos ha elevado notablemente la resistencia a compresión, así como, también, la densidad del material pétreo. Se concluye que los morteros y hormigones con escoria de cubilote presentan mejores prestaciones mecánicas que los hormigones fabricados con otras adiciones. A pesar de que los indicadores de durabilidad se ven ligeramente reducidos tras la incorporación de las escorias, los resultados se mantienen del lado de la seguridad, incluyendo su exposición en ambiente marino y el comportamiento frente a heladas.