5.2 Utilización de la escoria como agregado en el hormigón
La escoria de horno eléctrico contiene una pequeña proporción de silicio amorfo y una alta proporción de óxido de hierro. Tiene poca o ninguna actividad puzolánica en comparación con la escoria de alto horno, lo que hace que no sea adecuada para su uso como aditivo del cemento. La gran dureza de la escoria de acero ha llevado a considerarla como un agregado en el hormigón. Se han realizado muchos estudios para explorar esta posibilidad.
En , se utilizó la escoria de acero para sustituir parte de una fracción de árido fino, en la que la arena de sílice (con un 15%, 30% o 50%) o la fracción fina se sustituyó completamente por escoria. En todas las mezclas, el árido grueso era piedra caliza. Se estudió la influencia que el porcentaje de escoria tenía sobre las propiedades del hormigón fresco y endurecido en las clases de resistencia de 25, 35 y 45 MPa. Como era de esperar, debido a la mayor densidad de la escoria de acero en comparación con el árido natural, un aumento del contenido de escoria incrementaba la densidad de la mezcla de hormigón fresco entre un 5% y un 20% respecto al hormigón convencional. Esta es una de las características más importantes del hormigón de escoria de acero. Además, a medida que aumentaba la proporción de escoria en el hormigón, disminuía su consistencia.
En cuanto a la resistencia a la compresión, la sustitución de los áridos finos por escoria hasta un 50% conseguía aproximadamente los mismos valores de resistencia a la compresión, o incluso superiores, que el hormigón de referencia, mientras que el hormigón fabricado únicamente con áridos de escoria tenía una menor resistencia a la compresión . El efecto positivo de la escoria en la resistencia a la compresión del hormigón fue más pronunciado en la clase de resistencia más baja del hormigón. La influencia de la escoria en la resistencia a la tracción fue más pronunciada que su efecto en la resistencia a la compresión. En concreto, un mayor contenido de escoria en la masa total de áridos aumentaba la resistencia a la tracción del hormigón. El efecto positivo de la escoria en la resistencia a la tracción fue también más pronunciado en la clase de resistencia del hormigón más baja. La sustitución de los áridos naturales por la escoria generó una resistencia a la tracción entre 1,4 y 2,4 veces mayor y una resistencia a la compresión hasta 1,3 veces mayor (con un 15% de áridos de escoria). La causa de la disminución de la resistencia a la compresión con más del 50% de áridos de escoria se debió a la finura de la escoria en comparación con la arena. En particular, el aumento de la cantidad de escoria en el hormigón incrementa la cantidad total del material finamente molido. Por lo tanto, se necesita un cemento que recubra los granos. Al eliminar las cantidades excesivas de partículas finas en la escoria, se produjo un efecto muy positivo en la resistencia a la compresión en todas las etapas de maduración del hormigón.
En , se estudió el efecto de la sustitución de una fracción de agregado grueso en el hormigón con escoria. Todas las mezclas ensayadas se realizaron con la misma cantidad de cemento y con la misma relación agua-cemento. Se comparó la resistencia a la compresión, la velocidad de impulso de los ultrasonidos, la absorción y la corrosión de una mezcla con una proporción de escoria en fracciones gruesas del 45%, 50%, 55%, 60% y 65% del peso total del árido con el hormigón de referencia con piedra caliza (con una proporción de grueso a fino de 60:40). El aumento de la porción de escoria en la masa total del árido hizo que la resistencia a la compresión y a la tracción del hormigón aumentara también. Con la misma proporción de áridos gruesos y finos (60:40), el hormigón de escoria obtuvo una resistencia a la compresión ligeramente superior y una resistencia a la tracción ligeramente inferior en comparación con el hormigón de referencia. La absorción y la porosidad de la mezcla disminuyen a medida que aumenta la porción de escoria, lo que sugiere posibles mejores propiedades de durabilidad de dicho hormigón . La velocidad de pulso de los ultrasonidos aumentó con el aumento de la porción de escoria, lo que sugiere un mayor módulo de elasticidad del hormigón con escoria como agregado en relación con el hormigón de referencia.
También se observó una reducción de la resistencia a la compresión y de la velocidad de pulso de los ultrasonidos tras la exposición a las variaciones térmicas durante 60 ciclos. Un ciclo consistió en exponer las muestras a 70°C durante 8 h y a 25°C durante 16 h. La disminución de la resistencia a la compresión durante la variación térmica se redujo con el aumento de la porción de agregado de escoria en la mezcla. El efecto de la variación térmica sobre la velocidad de impulso de los ultrasonidos (y, por tanto, sobre el módulo de elasticidad del hormigón) fue menos pronunciado en el hormigón que contenía escoria que en el hormigón de referencia. Aunque el aumento de la absorción debido a las variaciones térmicas fue más pronunciado en las mezclas que contenían escoria que en el hormigón de referencia, la absorción del hormigón que contenía escoria fue ciertamente menor después de los ciclos térmicos que la absorción del hormigón de referencia . En el mismo trabajo, se estudió también la posibilidad de una acción corrosiva de los áridos sobre el acero. Se encontró un aumento sustancial en la resistencia a la corrosión del acero construido en el hormigón que contiene escoria en comparación con el hormigón de referencia, y la corrosión del acero se retrasó más con el aumento del agregado de escoria.
Al analizar la influencia del agregado de escoria de acero en las características mecánicas del hormigón (es decir, la resistencia a la compresión y a la tracción), es necesario considerar la zona de transición interfacial (ZIT) entre las partículas del agregado y la matriz cementante. Esta ZIT se considera una zona débil del hormigón. En esta región, la aparición de micro-sangrado alrededor de las partículas de los áridos, la porosidad y algunas características microestructurales dependen de varios factores, como la calidad y el tamaño de los áridos, la relación agua-cemento, el ligante y la edad de la mezcla. Además, la morfología (es decir, la calidad) de la ZCI desempeña un papel importante en la permeabilidad y la durabilidad del hormigón.
La presencia de escoria de acero EAF en el hormigón crea una morfología diferente de la ZCI. En particular, una ZIT más pequeña y menos hueca en comparación con el hormigón de roca natural es el resultado de la lenta migración del CaO desde el núcleo de los granos de escoria de acero a su superficie, lo que resulta en la evolución química del CaO a carbonato de calcio . Debido a una ZIT más fuerte dentro del hormigón de escoria de acero EAF, mostrada por las partículas de áridos rotos en la superficie de fractura después de las pruebas de ruptura mecánica del hormigón, se obtiene una mejor resistencia mecánica del hormigón (compresión y tracción). Sin embargo, dado que la escoria de acero tiene una textura porosa con múltiples grietas y hendiduras, cabe esperar que se produzcan roturas con cargas menores. Para reducir el impacto de esta estructura porosa en las características de resistencia del hormigón, el agregado de escoria de acero puede ser pretratado mediante el pulido en una máquina de abrasión de Los Ángeles. Este agregado grueso pulido parece tener una calidad mejorada, con una superficie más suave y resistencia a la emersión de microgrietas. Esto se traduce en una mayor densidad de superficie seca y una menor tasa de absorción de agua en comparación con el árido de escoria de acero normal sin tratar. Además, el tratamiento de pulido de los áridos de escoria gruesa influye en los fallos por fatiga del hormigón. En el caso del hormigón con árido de escoria sin tratar, se puede observar la fractura de los áridos y el fallo por fatiga termina en el tipo de fractura del árido. Por otro lado, en un caso de agregado de escoria pulido, la mayoría de los agregados son sanos y la falla por fatiga termina en el tipo de interfaz-desprendimiento entre la pasta y el agregado.
Las características del agregado de escoria pulido resultan en mejoras en las características del concreto como la resistencia a la fatiga, la deformación, las emisiones acústicas y la dureza de los materiales bajo cargas de fatiga por compresión. La otra forma de mejorar la calidad del árido de escoria (en particular la ZIT) es mediante un tratamiento de carbonatación acelerada del árido de escoria de acero. Este proceso de carbonatación se lleva a cabo en un reactor de carbonatación que ha sido sellado a 70°C y aspirado a -0,3 MPa . A continuación, se introdujo CO2 en el reactor hasta que la presión alcanzó los 0,3 MPa. Este proceso provocó un cambio en la estructura de los poros del agregado. Reduce la aparición de poros con el diámetro mayor de 1 μm en un 24,4% y aumenta la aparición de poros con un diámetro menor de 1 nm en un 67,9%.
Después de la carbonatación, la tasa de absorción de agua del agregado de escoria de acero disminuyó, mientras que sus propiedades de impermeabilidad aumentaron. La relación de expansión de la escoria de acero también se reduce debido a la reducción del contenido de CaO libre. Para comparar la resistencia ITZ del hormigón con áridos naturales y de escoria de acero, se comparó la resistencia de la escoria de acero carbonatada y del árido natural, así como la resistencia a la compresión del hormigón. Aunque la resistencia al aplastamiento del árido de escoria carbonatada era menor que la del árido natural, la resistencia a la compresión del hormigón de escoria ha mejorado. Cuando la sección transversal de la muestra de hormigón se sometió a la prueba de resistencia a la compresión, las grietas no atravesaron el centro del árido, sino que viajaron alrededor del propio grano. Por lo tanto, la ZIT del hormigón con agregados de escoria de acero carbonizados es más fuerte y resistente que la del hormigón con agregados naturales.
La carbonización de los agregados de escoria también tiene un impacto ambiental beneficioso, a saber, la reducción del potencial de lixiviación de ciertos elementos. En el análisis de las características de lixiviación de los agregados de escoria de acero inoxidable, se encontró que el Ca y el Si son los elementos más apreciablemente afectados por la carbonatación debido a los cambios en las fases minerales responsables del control de la solubilidad de estos elementos . La lixiviabilidad del Cr, uno de los elementos más tóxicos en los agregados de escoria, no pareció verse afectada de manera significativa por la carbonatación, aunque el Mo mostró cierta reducción en la lixiviación.