Formulaciones de nuevos morteros y cementos especiales basadas en suproductos de magnesio

Abstract

[spa] En la presente tesis doctoral se evalúa el potencial de algunos subproductos de magnesio empleados para la formulación de diferentes materiales de construcción y su utilización en diferentes soluciones constructivas. En este sentido, el uso de subproductos industriales para el desarrollo de materiales de construcción potencia criterios de sostenibilidad y beneficios medioambientales asociados a la reutilización de materiales secundarios y a la disminución de actividades extractivas de recursos naturales.

La memoria de la presente tesis doctoral se ha estructurado siguiendo el mismo eje conductor desarrollado en la parte experimental del trabajo. Así, ésta incluye una primera parte en la que se detalla el estado del arte referente a los materiales de construcción, así como las soluciones constructivas propuestas. Estas soluciones son, por un lado, el desarrollo de morteros destinados a la protección pasiva frente al fuego (PPF) y, por otro, la formulación de cementos químicos de fosfato (CBPC) de magnesio como material reparador de estructuras de hormigón. Como primer punto del trabajo experimental se ha estudiado y caracterizado exhaustivamente los diferentes subproductos empleados, tanto físico-química como morfológicamente. Esta caracterización preliminar es de gran importancia en el desarrollo de la investigación, dado que, al tratarse de subproductos industriales, no se conocen de antemano las características y las propiedades que éstos presentan, siendo su conocimiento de vital importancia para la correcta consecución de los objetivos establecidos.

En el desarrollo experimental de la primera de las soluciones constructivas propuestas, se ha empleado dos subproductos de magnesio [Low-Grade Magnesium Hydroxide (LG-MH) y Low-Grade Magnesium Carbonate (LG-MC)] en la formulación de morteros PPF, utilizando en este caso el cemento Portland convencional como material aglomerante. Ambos subproductos industriales descomponen térmicamente mediante procesos endotérmicos que cubren un amplio rango de temperaturas, retardando así el tiempo necesario para alcanzar una determinada temperatura. En este caso, se han formulado morteros empleando como áridos distintos porcentajes de ambos subproductos, dando lugar a un material con buenas propiedades térmicas y mecánicas, factible de ser utilizado como un mortero PPF. Sin embargo, su utilización como mortero revoco puede verse limitada por la elevada densidad de los áridos utilizados. En este supuesto, puede mejorarse su aplicabilidad añadiendo a los morteros formulados con subproductos de magnesio un árido ligero, como la vermiculita, sin que ello perjudique al resto de propiedades evaluadas.

En la consecución de la segunda solución constructiva propuesta, se evalúa la viabilidad del uso como materia prima de otro subproducto de magnesio [Low-Grade Magnesium Oxide (LG-MgO)], en este caso para el desarrollo de cementos químicos de fosfato (CBPC) de magnesio. A tal efecto, se han determinado las propiedades mecánicas de distintas dosificaciones, así como el efecto de un aditivo retardante del fraguado, el ácido bórico (HB), descrito en la bibliografía como retardante de fraguado que permite mejorar la trabajabilidad de los CBPC. Este estudio se ha realizado empleando una herramienta estadística, el diseño de experimentos (DoE), con la finalidad de obtener modelos matemáticos que justifiquen las interacciones entre los distintos componentes de la mezcla y su efecto sobre las propiedades mecánicas y el tiempo de fraguado. Asimismo, el uso del DoE ha de permitir reducir el número de experimentos y establecer el mejor rango de dosificaciones en función de las características deseadas, dando lugar a una formulación adecuada para su utilización en las soluciones constructivas objeto de estudio. Destacar que el uso de LG-MgO en la formulación de CBPC introduce fases inertes no-reactivas contenidas en el propio subproducto, lo que implica que los CBPC desarrollados puedan considerarse como morteros.

A partir de los resultados obtenidos se ha seleccionado un pequeño grupo de formulaciones con porcentajes adecuados para evaluar su potencial empleo en el desarrollo de morteros reparadores de estructuras de hormigón. Con este propósito, se han realizado ensayos de adhesión sobre distintos sustratos (hormigón o terrazo) y se ha determinado algunas propiedades requeridas para su uso en la solución constructiva propuesta.

La presente tesis doctoral pretende confirmar la viabilidad tecnológica para los distintos campos de aplicación que se han postulado. Sin embargo, no es un objetivo de este estudio el desarrollar un producto final que pueda ser comercializado, sino demostrar su viabilidad gracias al know-how adquirido durante los años de esta investigación, y sentar así las bases para futuros estudios en el desarrollo de materiales de construcción empleando estos subproductos.

[eng] The present thesis is focused in the assessment of some magnesium by-products and their potential reutilization for the formulation of different materials for several construction applications. Therefore, the use of industrial by-products for the development of construction materials highlights the sustainability criteria along with the environmental benefits associated with the reutilization of secondary materials whilst diminishing the extractive activities of natural resources.

This thesis has been structured following the same pattern for the experimental work. Thus, the first part details the state of the art in what construction materials concerns as well as some of the construction solutions suggested. These solutions are, on the one hand, included in the development of mortars for passive fire protection (PFP) and, on the other hand, in the formulation of chemical bonded phosphate ceramics (CBPC) as a repairing material for concrete structures.

The first part presents an exhaustive chemical, physical and morphological characterization of the by-products used. This preliminary characterization is of great importance in the development of the research because of the industrial origin of these by-products.

In the first part of the experimental section, the first of the solutions proposed used two types of magnesium by-products [Low-Grade Magnesium Hydroxide (LG-MH) and Low-Grade Magnesium Carbonate (LG-MC)] in the formulation of PFP mortars, using conventional Portland cement as a binder. Both industrial by-products thermally decompose through endothermic processes in a wide range of temperatures, delaying the time needed to achieve a selected temperature. In this case, the mortars were formulated by using different percentages of both by-products as aggregates, obtaining a material with good thermal and mechanical properties and therefore feasible to be used as a PFP mortar. However, its utilization as a sprayed mortar can be limited because of the high density of the aggregates used. In this sense, the practical applicability can be improved by adding a lightweight aggregate such as vermiculite, without diminishing the rest of the assessed properties.

Subsequently, in the second part of the experimental section, the viability of another magnesium by-product [Low-Grade Magnesium Oxide (LG-MgO)] is evaluated. In this case, for the development of chemical bonded phosphate ceramics (CBPC). The assessment was made by determining the mechanical properties of different dosages as well as by measuring the effect of a setting-time retarder additive, boric acid (HB), described in the literature as a good additive for this purpose while improving workability as well. This study has been realized by means of a statistical method, the design of experiments (DoE), with the purpose of obtain mathematical models that justify the interactions between different components in the mix and their effect in the mechanical properties and the setting-time. Moreover, the use of DoE enables the reduction in the number of experiments and establishes the best range of dosages as a function of the desired characteristics, giving an optimized formulation to be used in the construction solutions that are object of study. It has to be emphasize that the use of LG-MgO in the formulation of CBPC introduces inert phases that are contained in the by-product itself and that are non-reactive, which implies that the CBPC obtained could be considered as mortars.

From the results obtained, a small group of formulations with different percentages was selected to be studied with respect their potential as repairing mortars in concrete structures. Following this objective, adhesion tests were performed over different substrates (concrete or terrazzo) and some of the properties required for their use were determined.

The main objective of this thesis is to confirm the technological viability for the different fields of application postulated. However, it is not the main purpose to develop a final product able to be commercialized but to prove the viability by means of the know-how acquired during the years of this research and setting up the base for future studies in the development of construction materials using these by-products.