Introduction to Sustainable Construction Module 3. Sustainable Construction Materials Master in European Construction Engineering
Daniel Castro Fresno
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Introduction to Sustainable Construction Module 3. Sustainable Construction Materiales
Table of Contents • Sustainable aggregates and concretes. • Sustainable bituminous mixtures. • Basics of life cycle analysis. • Case studies.
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Sustainable aggregates and concretes.
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Sustainable Aggregates Natural or "unsustainable" aggregates (natural resource whose exploitation involves a high environmental impact): • Aggregates (boulders): natural aggregates without fracture faces from gravel pit (alluvial deposits). • Crushing aggregate: natural aggregates with fracture faces from quarries (crushed rock). “Sustainable” aggregates (waste and industrial by-products whose use as aggregates represents an environmental benefit): • Recycled aggregates (from recovery of construction and demolition waste). • Steel slag aggregates and ash. • Aggregates from the recovery of other waste. Master in European Construction Engineering
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Advantages of "sustainable" aggregates: • Reduction of the waste volume and reduction of problems associated to the use of landfills (lower land occupation, saving of landfill rates, etc.). • Saving of natural aggregates and decrease of problems associated with quarrying (lower use of explosives, lower visual impact, etc).
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Characteristic properties of "sustainable" aggregates: • Composition (classification of aggregates and impurity content): classification of the types of materials present (in % and by sizes, with focus on plastic, wood, organic matter, clay and plaster). • Geometry: granulometry (content of fines, sand and coarse aggregates), shape coefficient and flakiness index. • Physical properties: density, porosity and water absorption (physical properties). • Mechanical properties (strength and durability): wear coefficient of Los Angeles, crushability index, % of soft particles, resistance to attack by magnesium salts, freeze thaw resistance. • Chemical properties: expandability, content of acid soluble sulfate, water-soluble chloride compounds and total sulfur compounds.
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Possible uses of sustainable aggregates (always limited according to features and quality): • Backfills and embankments. • Concrete: • Structural. • Non structural. • Roads: • Asphalt mixtures. • Granular layers: treated and untreated.
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Recycled aggregates Recycled aggregates: aggregates obtained by processing (sorting, crushing and screening) of Construction and Demolition Waste (RCDs) to comply with the technical requirements for a given application (typical of an arid). Types: • Concrete. • Ceramic. • Asphalt (RAP). • Mixed (RCDs mixed: waste concrete, ceramic, asphalt, glass, plaster, paper, wood, metals and other impurities). 8 Master in European Construction Engineering
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RCDs Treatment Plants : • Separation at source, transport and reception. • Crusher (impact crusher). • Separators: • Magnetic for metal. • Pneumatic for light materials (hydrocyclones and blowers). • Hydraulic for soluble materials. • Sieves. • To limit the sulphate content it is important: • Collect separate items that include a high plaster content. • Remove the finest fraction (less than 4 mm). • Ensure the separation of light materials. 9 Master in European Construction Engineering
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Steel slag aggregates and ash • Blast furnace slag: • Crystallized slag: • slow cooling of the liquid slag in large pits (air cooled) • has a large number of internal pores, high permeability and low abrasion resistance and • useful for bituminous mixtures, granular layers, concrete masonry, insulated with mineral wool, cement, improving agricultural soils and backfills.
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• Blast Furnace Slag: • Vitrified-granulated slag: • quenching of liquid slag in a blast of cold water (cooled with water) • used for granular layers, roller compacted concrete, manufacture of cement (with additions) and improvement of agricultural soils. • Pelletized-vitrified slag: • quenching of the liquid slag into a drum watered with water (cooling with water and air) • useful for granular layers, masonry concrete, lightweight concrete, insulation and lightweight backfill. 11 Master in European Construction Engineering
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• LD steel slag (procedure Linz-Donawitz): • High hardness, high coefficient of accelerated polishing. • Use in surface treatments, asphalt mixes, granular bases and sub-bases. • May have small expansions (caution in confined or treated with hydraulic conglomerants).
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• Electric Furnace Slag: • Black slag: • Generated at the melting of raw materials stage. • High density (from 3.1 to 4.5 t / m3), high porosity and angularity, lack of fine (combined with other aggregates). • Contain expansive compounds, have a risk of swelling and give place to basic leachates. • Mainly used in bituminous mixtures and granular layers.
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• Electric Furnace Slag: • White slag: • Generated in the refining stage. • They are expansive (should never be used in confined layers or stabilized with cement). • Mainly in the cement industry but can also be used for soil stabilization, such as filling material or as filler of a bituminous mix. For use, the steel aggregates must meet the same properties as the crushing aggregates.
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Ash from coal burning power plants. • Fly ash: • Valid as filler in asphalt mixtures, addition in concretes and material for fills and embankments. • Bottom ash: • They have low specific weight, fragility and poor adhesion. • Used as filler in bituminous mixtures, embankments, subbases and bases of pavements, and stabilizing low quality soils due to their pozzolanic character.
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Ashes from the incineration of solid waste. • Used in embankments, sub-base and base stand, and stabilizing soils of low quality due to their pozzolanic character. • Present problems of leachates. • Fly ash: collected by filters. • Bottom ash: combustion byproduct (combination with cement leads to loss of mechanical resistance).
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Aggregates from other waste ELT tyres (end of life tyres). • Fillings (whole or pieced) alone or in combination with other materials. • Adding to bituminous mixes tyre dust. • Special flooring: light, fall protection, decorative, etc. Plastic • Pieces of plastic bottles, containers, hangers, caps, bags, boxes, plates . • May be used in fillings and in bituminous mixtures. Glass: • Aggregates from crushed glass can be used in embankments, base layers and sub-bases, and bituminous mixtures. 17 Master in European Construction Engineering
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Sustainable Concrete A concrete is considered sustainable when one or more of the following objectives is achieved: • Lower power consumption, using self-compacting concretes. • Lower cement consumption through the use of pozzolanic additions and the implementation of quality control to avoid over-dosage of cement. • Reduced water consumption by using superplasticizer additives. • Recycling and use of "sustainable" aggregates: recycled concrete and steel aggregate concretes.
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Recycled concrete Concrete with a certain % of recycled aggregates: • Only the coarse fraction (above 4 mm) is replaced. • The use of cements with additions is recommended • May present high shrinkage and durability problems • No leachate problems • The estimation of the efficient water / cement relation is necessary (presaturare the recycled aggregates or add the water content that aggregates will absorb during kneading). • The final quality is defined by the % of substitution and the properties of the recycled aggregate.
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• Structural (never prestressed): admits a recommended replacement of 20% coarse aggregate by concrete recycled aggregate. • No structural: admits a 100% replacement of coarse aggregate by recycled concrete aggregate, but in the case of using mixed recycled aggregates should only be used in mass concrete (in the case of using some kind of armor, you should limit their use to a class of non-aggressive exposure or limit the content of recycled aggregate to 50%). It is always necessary to check: • Consistency (workability): Abrams cone seat • Resistances: compressive failure at 7 and 28 days. • Durability: densities, porosity, permeability (oxygen and water under pressure). Master in European Construction Engineering
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Introducci贸n a la Construcci贸n Sostenible M贸dulo 3. Materiales de Construcci贸n Sostenibles Master in European Construction Engineering
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Tabla de Contenidos • Áridos y hormigones sostenibles. • Mezclas bituminosas sostenibles. • Fundamentos del análisis del ciclo de vida. • Casos prácticos.
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Introducciรณn a la Construcciรณn Sostenible Mรณdulo 3. Materiales de Construcciรณn Sostenibles
ร ridos y Hormigones sostenibles.
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Áridos sostenibles Áridos naturales o “no sostenibles” (recurso natural cuya explotación conlleva un alto impacto ambiental): • Áridos (cantos) rodados: áridos naturales sin caras de fractura procedentes de graveras (depósitos aluviales). • Áridos de machaqueo: áridos naturales con caras de fractura procedentes de canteras (roca machacada). Áridos “sostenibles” (residuos y subproductos industriales cuyo uso como áridos supone una ventaja ambiental): • Áridos reciclados (procedentes de la valorización de residuos de construcción y demolición). • Áridos siderúrgicos y cenizas. • Áridos procedentes de la valorización de otros residuos. Master in European Construction Engineering
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Ventajas de los áridos “sostenibles”: • Reducción del volumen de residuos y disminución de los problemas asociados al uso de vertederos (menor ocupación de terreno, ahorro de tasas de vertido...). • Ahorro de áridos naturales y disminución de los problemas asociados a la explotación de canteras (menor uso de explosivos, menor impacto visual…).
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Propiedades características de los áridos “sostenibles”: • Composición (clasificación del árido y contenido de impurezas): clasificación de los tipos de materiales presentes (en % y por tamaños, con especial atención a plástico, madera, materia orgánica, arcilla y yeso). • Geometría: granulometría (contenido de finos, arenas y gruesos), coeficiente de forma e índice de lajas. • Propiedades físicas: densidades, porosidades y absorción de agua (propiedades físicas). • Propiedades mecánicas (resistencia y durabilidad): coeficiente de desgaste de Los Ángeles, índice de machacabilidad, % de partículas blandas, resistencia al ataque por sales de magnesio, resistencia a la heladicidad. • Propiedades químicas: expansibidad, contenido de sulfatos solubles en ácido, cloruros solubles en agua y compuestos totales de azufre. 6 Master in European Construction Engineering
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Posibles usos de los áridos sostenibles (siempre limitados en función de sus características y calidad): • Rellenos y terraplenes. • Hormigón: • Estructural. • No estructural. • Carreteras: • Mezclas asfálticas. • Capas granulares: tratadas y sin tratar.
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Áridos reciclados Áridos reciclados: áridos procedentes del tratamiento (selección, trituración y cribado) de Residuos de Construcción y Demolición (RCDs) para que cumplan con los requisitos técnicos necesarios para una aplicación determinada (propia de un árido). Tipos: • De hormigón. • Cerámicos. • De asfalto (RAP). • Mixtos (RCDs mezclados: residuos de hormigón, con cerámica, asfalto, vidrio, yeso, papel, madera, metales y otras impurezas). 8 Master in European Construction Engineering
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Plantas de Tratamiento de RCDs: • Separación en el origen, el transporte y la recepción. • Machacadoras (trituradoras de impacto). • Separadores: • Magnéticos para metales. • Neumáticos para materiales ligeros (hidrociclones y soplantes). • Hidráulicos para materiales solubles. • Tamizadoras. • Para limitar el contenido de sulfatos es importante: • Acopiar por separado partidas que incluyan un elevado contenido de placas de yeso. • Eliminar la fracción más fina (menor de 4 mm). • Asegurar la separación de materiales ligeros. 9 Master in European Construction Engineering
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Áridos siderúrgicos y cenizas • Escorias de Alto Horno: • Escoria cristalizada: • enfriamiento lento de la escoria líquida en grandes fosos (enfriada con aire), • tiene gran cantidad de poros internos, gran permeabilidad y baja resistencia al desgaste y • sirve para mezclas bituminosas, capas granulares, hormigón de albañilería, aislamiento con lana mineral, fabricación de cemento, mejora de suelos agrícolas y rellenos.
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• Escorias de Alto Horno: • Escoria vitrificada-granulada: • enfriamiento brusco de la escoria líquida en un chorro de agua fría (enfriada con agua), • sirve para capas granulares, hormigón compactado con rodillo, fabricación de cemento (con adiciones) y mejora de suelos agrícolas. • Escoria vitrificada-peletizada: • enfriamiento brusco de la escoria líquida en un tambor regado con agua (enfriamiento con agua y aire), • sirve para capas ganulares, hormigón de albañilería, hormigón ligero, aislamiento y relleno ligero. 11 Master in European Construction Engineering
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• Escorias de acería LD (procedimiento Linz-Donawitz): • Gran dureza, alto coeficiente de pulimento acelerado. • Utilización en tratamientos superficiales, mezclas bituminosas, bases y sub-bases granulares. • Pueden sufrir pequeñas expansiones (precaución en capas confinadas o tratadas con conglomerantes hidráulicos).
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• Escorias de Horno eléctrico: • Escoria negra: • Generada en la etapa de fusión de las materias primas. • Alta densidad (de 3,1 a 4,5 t/m3), elevada porosidad y angulosidad, falta de finos (se combinan con otros áridos). • Contienen compuestos expansivos, tienen riesgo de hinchamiento y dan lugar a lixiviados de carácter básico. • Se utilizan principalmente en mezclas bituminosas y capas granulares.
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• Escorias de Horno eléctrico: • Escoria blanca: • Generada en la fase de afino. • Son expansivas (no deben utilizarse nunca en capas confinadas o estabilizadas con cemento). • Se usan fundamentalmente en la industria cementera pero también pueden emplearse para estabilización de suelos, como material de terraplén y como filler de una mezcla bituminosa. Para su uso, los áridos siderúrgicos deben cumplir las mismas propiedades que los áridos de machaqueo.
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Cenizas procedentes de la quema de carbón en las centrales termoeléctricas. • Cenizas volantes (fly ash): • Válidas como filler en mezclas bituminosas, adición en hormigones y material para rellenos y terraplenes. • Cenizas de fondo (bottom ash): • Tienen bajo peso específico, fragilidad y mala adhesividad. • Usadas como filler en mezclas bituminosas, en terraplenes, sub-bases y bases de firmes, y estabilizador de suelos de baja calidad gracias a su carácter puzolánico.
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Cenizas procedentes de la incineración de residuos sólidos. • Usadas en terraplenes, sub-bases y bases de firmes, y estabilizador de suelos de baja calidad gracias a su carácter puzolánico. • Presentan problemas de lixiviados. • Cenizas volantes: recogidas por los filtros. • Cenizas de fondo: subproducto de la combustión (su combinación con cemento supone pérdida de resistencia mecánica).
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Áridos procedentes de otros residuos Neumáticos fuera de uso (NFUs). • Rellenos (enteros o troceados): solos o en combinación con otros materiales. • Adición a mezclas bituminosas de polvo de neumáticos. • Pavimentos especiales: ligeros, anticaidas, decorativos… Plásticos: • Trozos de plástico de botellas, envases, perchas, tapones, bolsas, cajas, placas… • Pueden usarse en rellenos y en mezclas bituminosas. Vidrio: • Los áridos de vidrio triturado pueden emplearse en terraplenes, capas base y sub-base, y mezclas bituminosas. 17 Master in European Construction Engineering
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Hormigón sostenible Un hormigón se considera sostenible cuando se logra uno o varios de los siguientes objetivos: • Menor consumo de energía, empleando hormigones autocompactantes. • Menor consumo de cemento gracias a la utilización de adiciones puzolánicas y la puesta en práctica de controles de calidad que eviten sobre-dosificaciones de cemento. • Menor consumo de agua mediante la utilización de aditivos superplastificantes. • Reciclaje y utilización de áridos “sostenibles”: hormigón reciclado y hormigón con áridos siderúrgicos. 18 Master in European Construction Engineering
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Hormigón reciclado Hormigón con un % determinado de áridos reciclados: • Tan sólo se sustituye la fracción gruesa (por encima de 4 mm). • Se recomienda la utilización de cementos con adiciones • Pueden presentar una retracción elevad y problemas de durabilidad • No presentan problemas de lixiviación • Es necesaria la estimación de la relación agua/cemento efectiva (presaturar los áridos reciclados o añadir el contenido de agua que absorberán los áridos durante el amasado). • La calidad final está definida por el % de sustitución y la propiedades del árido reciclado.
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• Estructural (nunca pretensado): admite una sustitución recomendada del 20% de árido grueso por árido reciclado de hormigón. • No estructural: admite un 100% de sustitución de árido grueso por árido reciclado de hormigón, pero en el caso de utilizar áridos reciclados mixtos sólo debe emplearse en hormigones en masa (en el caso de utilizar algún tipo de armadura, se debe limitar su uso a una clase de exposición no agresiva o bien limitar el contenido de árido reciclado al 50%). Siempre es necesario controlar: • Consistencia (trabajabilidad): asiento en el cono de Abrams. • Resistencias: rotura a compresión a los 7 y 28 días. • Durabilidad: densidades, porosidad, permeabilidad (al oxígeno y al agua bajo presión).
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