Comportamiento y diseño de hormigones estructurales con áridos siderúrgicos EAF
Authors:   , González Ortega Martha Alejandra 
Published: July 2023

The use of the EAF steel slags as aggregate in the production of concrete has gained great interest with the increasing concern about the environment impact and the sustainability in the construction industry. The EAF steel slags are by-products from the steel production process with electric arc furnace. In many applications, they are an interesting alternative to preserve natural resources, decrease the energetic consumption, decrease emissions and the need for landfills. Traditionally, the use of this EAF steel slags in concrete has been limited to applications with low added value, with poor structural responsibility and with reduced content due to reservations regarding its technical viability and durability.
The EAF steel slags are characterized by a high density (around 3550 kg/m³) in comparison with conventional natural aggregate, a high resistance to fragmentation and to abrasion. These reasons make the EAF steel slag a potentially interesting material to produce heavyweight concrete or concrete submitted to highly abrasive processes. The main objective of this Thesis is to evaluate the technical viability of structural concrete with EAF steel slags in substitution to 100% of the conventional coarse aggregate and 80% of the conventional fine aggregate. Such analysis takes into account the requirements of two applications in which the EAF steel slags contributes to an improved performance (structural walls with radiological protection and the road bearing layer of pavements).
In order to achieve these objectives, the research is divided in three parts that cover the different stages in the concrete life cycle: production, performance in service and durability. In the first part, the physical, chemical and mineralogical characteristics of the EAF steel slags are analyzed in comparison with those from the reference aggregates (limestone and barite). A study of the influence of the mixing process in the grading curve and the surface characteristics of the aggregates is conducted. In the second part, the ideal mix to obtain a structural heavyweight concrete with EAF steel slag is determined. Likewise, the mechanical properties, the radiological shielding capacity, the slip/skid and abrasion resistance are studied and compared with equivalent concrete mixes with reference aggregates. Finally, the durability of the concretes is evaluated for the possible degradation processes that might occur in the applications considered.
The results show that the mechanical properties of concrete with EAF are similar or higher than the measured for conventional concrete and, in all cases, are significantly higher than the obtained for concretes with barite. Although the radiological attenuation coefficients of the concretes with EAF slags are lower than that of concrete with barite, the differences in terms of the equivalent wall thickness are small. Moreover, concrete with EAF steel slags have similar slip/skid resistance and higher resistance to abrasion than conventional concrete. These results support the use of EAF steel slags as aggregate to produce heavyweight concrete with structural responsibility with radiological protection capacity.
Collaterally to the main focus of the present study, it was found that the mixing process modifies the grading curve of the barite at a higher extent than in the case of the other aggregates. This is attributed to the highly crystalline structure and high friability of barite, which generates a weak interfacial transition zone with the cement paste and affects adversely the mechanical properties and the durability of concrete. The observations of the behavior of barite aggregate during the mixing process provide important guidelines for its use in the concrete.
Con la creciente preocupación por el impacto ambiental y la búsqueda de la sostenibilidad en el sector de la construcción, el uso de los áridos siderúrgicos EAF para la fabricación de los hormigones ha cobrado gran interés. Estos áridos son subproductos resultantes de la fabricación de acero mediante horno de arco eléctrico y suponen una alternativa interesante para conservar los recursos naturales, reducir el consumo energético, disminuir emisiones y la demanda de vertederos. Tradicionalmente, el uso de estos áridos en hormigones se ha limitado a aplicaciones de bajo valor añadido, con poca responsabilidad estructural y con un contenido reducido a causa de las reticencias en cuanto a la viabilidad técnica y la durabilidad. Los áridos siderúrgicos se caracterizan por una alta densidad entorno a los 3.550 kg/m3, así como alta resistencia a la fragmentación y un excelente coeficiente de pulimiento acelerado con resistencia al desgaste y abrasión. Todo ello, hace del árido siderúrgico un material potencialmente interesante para la fabricación de hormigones pesados o sometidos a procesos de abrasión. Teniendo esto en cuenta, el objetivo principal de esta Tesis es evaluar la viabilidad técnica de los áridos siderúrgicos para la fabricación de hormigones con una sustitución del 100% del árido grueso y 80% del árido fino convencional. Este estudio se realiza considerando los requerimientos de aplicaciones en las que los áridos siderúrgicos pude representar un alto valor añadido, como pueden ser paredes estructurales para la protección radiológica y capa de rodadura de pavimentos bicapa. Para dar respuesta a los objetivos propuestos, el presente trabajo se divide en tres capítulos que evalúan las etapas del ciclo de vida de un hormigón: producción, puesta en servicio y durabilidad. En primer lugar, se analizan las características físicas, químicas y mineralógicas de los áridos utilizados (siderúrgico, calizo, barítico) y se evalúa el comportamiento de cada árido durante el proceso de amasado. En segundo lugar, se determinan las dosificaciones idóneas de árido siderúrgico para la fabricación de hormigones pesados con responsabilidad estructural. Así mismo, se estudian y comparan las propiedades mecánicas, la capacidad de blindaje radiológico, la resistencia al deslizamiento y desgaste de tres tipos de hormigones (siderúrgico, convencional y barítico). Por último, se realiza el estudio de la durabilidad de los hormigones, ante los posibles procesos de degradación para las aplicaciones planteadas. Los resultados de los ensayos muestran que las propiedades mecánicas de los hormigones siderúrgicos son similares o superiores a las medidas para los hormigones convencionales y, en todos los casos, son significativamente mayores en comparación con los hormigones baríticos. Aunque los coeficientes de atenuación de los hormigones siderúrgicos son más bajos que los del hormigón barítico, las diferencias en términos de espesor de pared equivalente son relativamente pequeñas. De igual modo, se constató que los hormigones siderúrgicos presentan resistencias al deslizamiento similares y resistencias a la abrasión mayores que las de los hormigones convencionales. Estos resultados apoyan el uso de los áridos siderúrgicos para fabricar hormigones pesados con responsabilidad estructural y con capacidad de protección radiológica, así como para capas de rodadura. Por otro lado y de manera colateral al foco principal del presente estudio, se constató que el proceso de amasado modifica la curva granulométrica del árido barítico en una medida mayor que en el caso de los otros áridos, ello se atribuye a su estructura cristalina y elevada friabilidad. Ello da lugar a una zona interfacial de transición débil y repercute negativamente en las propiedades mecánicas y en la durabilidad del hormigón. Las observaciones respecto al árido barítico durante el proceso de amasado proporcionan pautas importantes para el diseño, la producción y el uso de éste en el hormigón