Alkali-activated binders based on bottom ash from municipal solid waste incineration
- Autores: Alex Maldonado Alameda
- Directores de la Tesis: J. M Chimenos (dir. tes.), Jessica Giró Paloma (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Cristina Leonelli (presid.), Ana Inés Fernández Renna (secret.), Manuel Torres Carrasco (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas por la Universidad de Barcelona
- Materias:
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- Resumen
En aquellos países donde el espacio destinado a vertederos controlados es limitado, la incineración de residuos sólidos urbanos (RSU) es la solución más utilizada ya que permite reducir el volumen total de los residuos hasta un 90%, además de generar energía resultante de la combustión. En las plantas de combustión se generan escorias (BA según las siglas inglesas; bottom ash), que son una mezcla heterogénea de metales férricos y no-férricos, cerámicos, vidrio y un pequeño porcentaje de materia residual orgánica. Las BA se clasifican como material no-peligroso, dado que son residuos ricos en óxido de calcio, sílice y hierro. Su composición y morfología es muy similar a la de los áridos naturales de origen silíceo. Este hecho posibilita que, tras un tratamiento de maduración donde se obtiene la BA madurada (WBA), se pueda reutilizar como árido secundario en el campo de la construcción y la obra civil. Atendiendo a su composición, el alto porcentaje de vidrio y aluminio que hay en la WBA, permite pensar en el potencial de este residuo como materia prima (fuente de SiO2 y Al2O3) para la formulación de cementos activados alcalinamente (CAA). La obtención de CAA consiste en la reacción de un precursor en polvo con alto contenido de aluminosilicatos con una solución alcalina de concentración variable. El resultado de la reacción, después de un tiempo y una temperatura de curado conveniente, es la obtención de un sólido compacto con buenas propiedades mecánicas y alta resistencia a agentes químicos, a las altas temperaturas y al fuego. Los CAA presentan una baja emisión en carbono durante su producción si se compara con la del cemento Portland (OPC), responsable del consumo del 3% de la energía primaria global y del 8% de las emisiones de CO2 a nivel mundial. Se trata de una solución muy interesante desde el punto de vista medioambiental, ya que permite la valorización de subproductos industriales que han finalizado su ciclo de vida.
El objetivo principal de esta tesis doctoral fue el desarrollo científico y tecnológico de nuevos CAA basados en la activación alcalina de WBA (AA-WBA). Este objetivo está relacionado con el uso de materiales base cemento más sostenibles, que promuevan la economía circular y el principio de residuo cero mediante la valorización de la WBA. La presente tesis evaluó el potencial de la WBA como precursor y de los aglutinantes AA-WBA mediante diferentes estudios que se pueden clasificar en cuatro grandes bloques. La primera etapa se basó en la evaluación del potencial de la WBA como precursor en CAA en función de su tamaño de partícula. Se demostró la variabilidad en la disponibilidad de SiO2 y Al2O3 reactivos según el tamaño de partícula. Destacaron el potencial de la fracción entera (FE) y la fracción por encima de 8 mm (WBA8) para ser utilizadas como precursores de CAA. El segundo bloque de la tesis se centró en el estudio de AA-WBA empleando la FE i la fracción WBA8 como precursores. Los resultados revelaron la influencia de la concentración de la solución activadora en las propiedades finales de los AA-WBA, obteniendo mejor rendimiento mecánico con el uso de la solución WG/NaOH 6M. También se evidenció una mejora de las propiedades mecánicas en los AA-WBA formulados con la fracción WBA8, debido a su mayor disponibilidad de SiO2. Sin embargo, los resultados medioambientales revelaron una lixiviación substancial de arsénico y antimonio. En el tercer bloque se empleó la fracción WBA8 mezclada con otros precursores con mayor disponibilidad de Al2O3 (metakaolin y PAVAL®). La finalidad era mejorar las propiedades mecánicas y el efecto de estabilización de metales pesados de los cementos obtenidos en los anteriores estudios. En ambos casos se mejoraron las prestaciones mecánicas debido a la inclusión de Al2O3. Sin embargo, las propiedades ambientales siguieron presentando unos valores de lixiviación que no aseguraban la viabilidad ambiental de los materiales base cemento obtenidos. Finalmente, el cuarto bloque de la tesis se centró en la realización de un estudio que demostrara la viabilidad ambiental y ecotoxicológica de las formulaciones óptimas obtenidas en la segunda, tercera y cuarta investigación. Los resultados mostraron un nivel de ecotoxicidad medio-bajo en los AA-WBA formulados con la fracción de 8 a 30 mm, similar a los aglutinantes activados con MK (AA-MK).
