Desarrollo microestructural y su incidencia en el desempeño de mezclas de tierra comprimida estabilizada con un cemento alternativo (LC3) y agregados de concreto reciclado

Abstract

La transición hacia procesos de producción que tengan un menor impacto ambiental y hagan un uso más eficiente de los recursos y energía, ha llevado a la necesidad de buscar alternativas que logren satisfacer las necesidades sin perder la calidad en el desempeño de los productos. En el caso de los materiales de construcción, la reducción del contenido de cementos convencionales y la diversificación de sistemas constructivos es la principal estrategia para alcanzar la sostenibilidad en el corto plazo. En ese sentido, el desarrollo de materiales de construcción en tierra ha tomado relevancia por su baja huella de carbono en la producción y diversidad de materias primas para su fabricación, teniendo así capacidad de incorporar de distintos residuos. Con base en esto, este estudio se centró en analizar en mezclas de suelo estabilizado, el efecto de la incorporación de agregados de concreto reciclado (ACR) y un cemento ternario de caliza y arcilla calcinada (LC3) sobre los cambios microestructurales, y su influencia en el desempeño de propiedades de ingeniería como la compactación, resistencia a compresión y absorción de agua por capilaridad.

Se analizan mezclas con dos tipos de cemento, Cemento Portland (OPC) de Altas Resistencias Tempranas de referencia, y LC3, con dosificaciones de porcentaje en peso entre 0 y 15 % y de ACR entre 30 % y 60 %. La resistencia a compresión inconfinada a 7 y 28 días se evaluó estadísticamente a través de un diseño experimental de mezclas, obteniendo valores entre los 4 y 14 MPa, mostrando una mayor representatividad de la interacción entre las cantidades de ACR y el material cementante. Se encontró una fuerte incidencia del tipo de cemento sobre la respuesta mecánica y la absorción en presencia del agregado reciclado, donde el cemento alternativo presentó mayor demanda de agua, lo que permitió una mayor tasa de aumento de resistencia al mantener un medio poroso más reactivo. De esta forma, el LC3 alcanzó un desempeño similar a las mezclas del OPC cuando se encontró acompañado con altos niveles de ACR (60%); contrario a lo hallado en el cemento de referencia, que mostró bajos desempeños en las propiedades estudiadas cuando las altas cantidades de cemento estaban acompañadas del agregado reciclado, teniendo menor densidad y mayor porosidad, lo que afecta el desempeño de las propiedades.

La compatibilidad entre el LC3 y el ACR se da por una mayor densificación con productos de hidratación que rellenaron los poros, con compuestos asociados a la reacción de la caliza y el metacaolín. Se desarrollan productos de menor densidad que el C-S-H de los cementos convencionales, generando una mayor extensión de la red de geles que densifican la matriz a causa de la estabilidad en la reacción que generan los carbonatos y la movilidad iónica que promueve el metacaolín, resultando en mejores desempeños de sus propiedades de ingeniería. Esto se observó por medio de análisis térmico para identificar los productos de hidratación, y por microscopía electrónica se pudo evidenciar el refinamiento de los poros. Esto muestra que los cambios microestructurales se vieron influenciados por la capacidad de desarrollar distintos tipos de productos de hidratación, alcanzando una mayor densidad compactada y así en un mejor desempeño, mostrando el potencial que tienen el uso de materias primas alternativas en el desarrollo de materiales de construcción sostenible con cementos de bajo contenido de clínker y residuos de construcción y demolición. (Tomado de la fuente)

The transition towards production processes that have a lower environmental impact and make more efficient use of resources and energy has led to the need to look for alternatives that meet the demands without losing quality in product performance. In the case of building materials, the reduction of conventional cement content and the diversification of construction systems is the main strategy to achieve sustainability in the short term. In this sense, the development of earth-based building materials has become relevant due to their low carbon footprint in production and diversity of raw materials for their manufacture, thus having the capacity to incorporate different waste materials. Based on this, this study focused on analyzing the effect of the incorporation of recycled concrete aggregates (RCA) and a ternary cement of limestone and calcined clay (LC3) in stabilized soil mixtures on microstructural changes and their influence on the performance of engineering properties such as compaction, compressive strength and capillary water absorption.

Mixtures with two types of cement, Portland Cement (OPC) of High Early Strengths of reference, and LC3, with dosages of percentage by weight between 0 and 15 % and ACR between 30 % and 60 %, are analysed. The unconfined compressive strength at 7 and 28 days was statistically evaluated through an experimental mix design, obtaining values between 4 and 14 MPa, showing a greater representativeness of the interaction between the amounts of ACR and the cementitious material. A significant influence of the type of cement on the mechanical and absorption response in the presence of recycled aggregate was found, where the alternative cement presented a higher water demand, which allowed a higher rate of strength increase by maintaining a more reactive porous medium. Thus, LC3 achieved a similar performance to the OPC mixes when accompanied by high levels of RCA (60%); contrary to what was found in the reference cement, which showed low performances in the properties studied when high amounts of cement were accompanied by recycled aggregate, having lower density and higher porosity, which affects the performance of the properties.

The compatibility between LC3 and RCA is given by a higher densification with hydration products that filled the pores, with compounds associated with the reaction of limestone and metakaolin. Products with lower density than the C-S-H of conventional cements were developed, generating a greater extension of the network of gels that densify the matrix due to the stability in the reaction generated by the carbonates and the ionic mobility promoted by the metakaolin, resulting in better performance of its engineering properties. This was observed by thermal analysis to identify the hydration products, and by electron microscopy the refinement of the pores could be evidenced. This shows that the microstructural changes were influenced by the ability to develop different types of hydration products, achieving a higher compacted density and thus better performance, showing the potential of using alternative raw materials in the development of sustainable construction materials with low clinker content cements and construction and demolition waste.