Desarrollo de micro-morteros de cemento de fosfato de magnesio formulados con subproductos y residuos industriales

Abstract

[spa] Con el fin de desarrollar materiales de construcción más sostenibles, los cementos de fosfato de magnesio (MPC) se presentan como una prometedora alternativa al cemento Portland. En concreto, destacan en cuanto a sostenibilidad los cementos de fosfato de magnesio sostenibles (Sust-MPC) formulados con una fuente de fosfato como es el KH2PO4 y óxido de magnesio de baja ley (LG-MgO), el cual es un subproducto industrial procedente del proceso calcinación de la magnesita natural para la producción de MgO. El Sust-MPC despierta un gran interés desde el punto de vista medioambiental, ya que, por sus propiedades encapsulantes, es compatible con la adición de otros subproductos y residuos como agregados, formando morteros e incluso hormigones dependiendo del tamaño de partícula, y mejorando el comportamiento mecánico del conjunto. Además, cabe la posibilidad que los agregados reaccionen con el Sust-MPC dando lugar a productos de hidratación que potencialmente puedan mejorar si cabe más las propiedades mecánicas del material. La presente tesis doctoral desarrolla micro-morteros, denominados así por el tamaño de partícula de los agregados, usando Sust-MPC como matriz conglomerante y un subproducto industrial y un residuo como agregados (o micro-agregados). De esta forma se desarrollan dos tipos de micro- morteros, un primero formulado con el conglomerante Sust-MPC y un residuo procedente del reciclaje del vidrio denominado CSP, del inglés Ceramic, Stone and Porcelain, como micro-agregado. El otro micro-mortero incorpora al conglomerante Sust-MPC un residuo procedente de la industria de reciclaje del aluminio, el PAVAL® (PV). La investigación llevada a cabo tiene como objetivo determinar la mejora del comportamiento mecánico del material final, la reducción del potencial lixiviador de los subproductos, y la posibilidad de que estos micro-agregados formen compuestos de tipo silico-fosfatos, para el CSP, y alumino-fosfatos, para el PV, que puedan contribuir de forma positiva al comportamiento general del micro-mortero. A lo largo de los diferentes capítulos se detallan los resultados para el desarrollo de ambos micro- morteros, los cuales muestran una mejora considerable de las propiedades mecánicas, corroborando la correcta incorporación del subproducto y el residuo en el Sust-MPC. El principal resultado de la tesis doctoral es la observación de la disolución parcial de partículas ricas en Al y Si en la matriz cementante, posiblemente por la formación de nuevos productos de hidratación. Finalmente, se confirma la reducción del potencial lixiviador de metales pesados contenidos inicialmente en el residuo y los subproductos utilizados, gracias a la dilución y acción encapsulante del Sust-MPC. Las mejores formulaciones seleccionadas se basan en un compromiso entre la resistencia mecánica y el potencial lixiviador del material final, promoviendo la economía circular, las políticas de residuo cero y acercando un poco más a la sociedad al cumplimiento de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS).

[cat] Amb la finalitat de desenvolupar materials de construcció més sostenibles, els ciments de fosfat de magnesi (MPC) es presenten com una prometedora alternativa al ciment Portland. En concret, destaquen en sostenibilitat els ciments de fosfat de magnesi sostenibles (Sust-MPC) formulats amb una font de fosfat com és el KH2PO4 i òxid de magnesi de baixa llei (LG-MgO), el qual és un subproducte industrial procedent del procés calcinació de la magnesita natural per a la producció de MgO. El Sust-MPC desperta un gran interès des del punt de vista mediambiental, ja que, per les seves propietats encapsulants, és compatible amb l'addició d'altres subproductes i residus com a agregats, formant morters i fins i tot formigons depenent de la grandària de partícula, i millorant el comportament mecànic del conjunt. A més, hi ha la possibilitat que els agregats reaccionin amb el Sust-MPC donant lloc a productes d'hidratació que potencialment puguin millorar si cap més les propietats mecàniques del material. La present tesi doctoral desenvolupa micro-morters, denominats així per la grandària de partícula dels agregats, usant Sust-MPC com a matriu conglomerant i un subproducte industrial i un residu com a agregats (o micro-agregats). D'aquesta manera es desenvolupen dos tipus de micro-morters, un primer formulat amb el conglomerant Sust-MPC i un residu procedent del reciclatge del vidre denominat CSP, de l'anglès Ceramic, Stone and Porcelain, com a micro-agregat. L'altre micro-morter incorpora al conglomerant Sust-MPC un residu procedent de la indústria de reciclatge de l'alumini, el PAVAL® (PV). La recerca duta a terme té com a objectiu determinar la millora del comportament mecànic del material final, la reducció del potencial lixiviador dels subproductes, i la possibilitat que aquests micro-agregats formin composts de tipus silico-fosfats, per al CSP, i alumino-fosfats, per al PV, que puguin contribuir de manera positiva al comportament general del micro-morter. Al llarg dels diferents capítols es detallen els resultats per al desenvolupament de tots dos micro- morters, els quals mostren una millora considerable de les propietats mecàniques, corroborant la correcta incorporació del subproducte i el residu en el Sust-MPC. El principal resultat de la tesi doctoral és l'observació de la dissolució parcial de partícules riques en Al i Si en la matriu cementant, possiblement per la formació de nous productes d'hidratació. Finalment, es confirma la reducció del potencial lixiviador de metalls pesants continguts inicialment en el residu i els subproductes utilitzats, gràcies a la dilució i acció encapsulant del Sust-MPC. Les millors formulacions seleccionades es basen en un compromís entre la resistència mecànica i el potencial lixiviador del material final, promovent l'economia circular, les polítiques de residu zero i acostant una mica més a la societat al compliment dels Objectius de Desenvolupament Sostenible (ODS).

[eng] The need for developing more sustainable construction materials has led the scientific community to investigate binders, such as Magnesium Phosphate Cement (MPC), as an alternative to Portland cement. MPCs are even more sustainable when formulated with KH2PO4 and low-grade magnesium oxide by-product (LG-MgO) and are then named Sustainable MPC (Sust-MPC). These kinds of binders are known for their excellent waste-encapsulating properties. They are suitable for incorporating different by-products and wastes as aggregates to develop mortars, thus, enhancing the mechanical performance of the final material. Moreover, recent investigations point out that these aggregates can interact and react with Sust-MPC binder, generating new hydration products that could strengthen the material mechanically in the long term. This doctoral thesis investigates developing micro-mortars using Sust-MPC as a binder phase, an industrial by-product, and a waste as micro-aggregates. The term “micro-“is used because of the micrometric particle size of the aggregates. In this sense, two different micro-mortars are developed, the first using Ceramic Stone and Porcelain waste (CSP) as a micro-aggregate and the second using PAVAL® (PV) by-product instead. CSP is a Si-rich waste coming from the glass recycling process. PV is an Al-rich by-product obtained from the aluminium recycling industry. This investigation aims to determine how the incorporation of such micro-aggregates affects the mechanical performance of the final materials, as well as study the reduction of the heavy metal’s leaching potential. Also, it is focused on shedding light on the possible reaction of the micro- aggregates with the binder, forming silicon-phosphates in micro-mortars containing CSP, and aluminium-phosphates in micro-mortars incorporating PV. The experimental results are detailed through this thesis's chapters, concluding in a remarkable improvement of the mechanical properties measured, confirming the proper incorporation of the by-product and the waste in the Sust-MPC binder. The main result of this investigation is the observation of the partial dissolution of the Al/Si-rich particles inside Sust-MPC matrix, possibly generating new hydration products. Lastly, incorporating CSP and PV in the Sust-MPC binder reduces their heavy metals leaching potential, promotes a circular economy, zero waste policies and approaches society to the Sustainable Development Goals (SDG).