Chemical, physical and mechanical evaluation of smart cement-based materials incorporating forest biomass ash

Abstract

[ES]: La eliminación de las cenizas procedentes de la biomasa se convertirá en una preocupación real debido a la creciente adopción de la incineración y la cogeneración como uno de los tratamientos de residuos municipales y agrícolas. Por otro lado, la industria de la construcción utiliza una gran cantidad de materias primas, y el diseño de relaciones simbióticas con otras industrias en materia de residuos, subproductos o materiales secundarios es una idea atractiva en términos medioambientales. En esta investigación, se ha explorado el uso de cenizas de residuos de biomasa en la fabricación de materiales base-cemento con capacidad de “autoreparación”, esto es, “materiales autorreparables”. Los materiales base cemento desarrollados y diseñados, contienen fibras que muestran la capacidad de fallar de manera dúctil con una capacidad de deformación entre el 3-7%, a diferencia de los hormigones comunes que son quebradizos y solo pueden producir una deformación del 0.01%. El desafío al fabricar estos materiales es que requieren un control estricto de las propiedades mecánicas, químicas y reológicas en la matriz para poder realizar la función de “autocuración”. Es decir, la formación de gran número de pequeñas grietas con tamaño menor de 100 μm distribuidas por todo el sistema cementante, en lugar, de una grieta grande como se observa en otros materiales base cemento, se podrán sellar con el empleo de estos materiales. La presencia de las grietas a microescala puede facilitar y fomentar la entrada de compuestos corrosivos agresivos al material base cemento, como el ión cloro. El sellado de estas pequeñas grietas y posiblemente “curación natural” del material base cemento, mediante reacciones de hidratación del cemento y otras reacciones puzolánicas supondrá un aumento de las prestaciones mecánicas y durabilidad del material. El objetivo principal de este estudio es evaluar el efecto químico, físico y mecánico de la adición de ceniza de biomasa forestal en materiales base cemento inteligentes (SCBM, del inglés Self-healing cement-based materials). El SCBM se ha formulado como un compuesto base-cemento de ingeniería autorreparable (ECC), en el que las cenizas volantes (CV) se sustituyen parcialmente por otros residuos, como es la ceniza de biomasa forestal (CBF). Se han estudiado tres series: una serie de referencia (conjunto R) sin CBF, y dos series con diferente sustitución de CV por CBF, esto es, en una proporción CV/CF de 70/30 (conjunto A) y 30/70 (conjunto B). Se curaron durante 28 días a 98 ± 2% de HR y 20 ± 2ºC. Para evaluar la influencia de la adición de CBF en el material ECC, se realizaron estudios mecánicos y pruebas de absorción de agua capilar en muestras sin fisurar y fisuradas. Se han empleados dos tiempos de estudio: 28 días de curado y 28+28 días (28d de curado, y otros 28d para evaluar la recuperación) Al finalizar el tiempo de curado, de cada serie se eligió un molde (3 probetas) donde se generaron grietas y otro molde sin generar grietas. La diferencia en el tamaño de las partículas y la composición de CV y CBF da lugar a efectos en la micro y macro-mecánica del hormigón. ECC con CBF y conseguir recuperación de prestaciones mecánicas y de durabilidad del material. Es necesario encontrar una proporción óptima de las cenizas que combine dos efectos positivos observados después de 28 días de recuperación la recuperación mecánica, como se ve en el conjunto B, con la absorción capilar estable, como se ve en el conjunto A.

[EN]: The disposal of waste ash from biomass-based sources is bound to become a real concern due to increased adoption of incineration and cogeneration as a means of municipal and agricultural waste treatment methods. Construction, on the other hand, is one of those industries that use a large number of raw materials, and designing symbiotic relations with other industries concerning waste materials is an appealing idea in as far as environmentally conscious planning is concerned. In this research, we explore the use of biomass waste ash in the fabrication of self-healing engineered cementitious composites. Engineered cementitious composites are fibre containing, cement-based materials that show an ability to fail in a ductile manner with strain capacity between 3-7 % unlike common concretes, which are brittle and can only afford a strain of 0.01%. The challenge in making these materials is that they require strict control of mechanical, chemical and rheological properties in the matrix in order to perform in a self-healing manner that is the formation of small, multiple cracks of less than 100μm throughout the system instead of one large crack as is observed in other cementitious materials. The availability of small cracks makes it easy for the composite to seal and possibly heal them naturally through hydration of cement and other pozzolanic reactions as cracks can encourage the entry of aggressive corrosive compounds like chlorine in the material. The main aim of this study is to evaluate the chemical-physical and mechanical effect of the addition of forest biomass ash in new smart cement-based materials (SCBM). SCBM has been formulated as a self-healing engineered cementitious composite (ECC), in which fly ash (FA) is partially substituted by other waste, a forest biomass ash (FBA). Three sets were studied: one reference sample (set R) without FBA, and two sets with a ratio of FA/FBA content of 70/30 (set A) and 30/70 (set B). They were cured for 28 days at 98±2% RH and 20±2ºC. To evaluate the influence of the FBA addition on ECC material, mechanical study and capillary water absorption test were conducted in uncracked and cracked specimens, immediately after cracking and after healing for 28 days. The difference in particle size and composition of FA and FBA give rise to effects on the setting, as well as micro and macro-mechanics of the concrete. The principal conclusion of this study is that it is possible to substitute part of the FA in an ECC material with FBA. It is necessary to find an optimal proportion of the ashes that combines two positive effects observed after days of crack healing: mechanical recovery, as seen in set B, with stable capillary absorption, as seen in set A.