Use of copper slags as secondary raw material in ultra high-performance concrete

An ordinary concrete can reach 40 MPa of compressive strength, an ultra high-performance concrete (UHPC) reaches values of 150 MPa. But talking just about this property would be reducing. This material has a series of characteristics that makes it unique and of multiple applications. The universities of Valencia, Gijon and Cadiz, have started researching all around this type of concrete, more than three years ago, investigating several aspects of the UHPC and obtaining some interesting results. This demand has born from a lack in the Spanish code of rules for this kind of concrete, being a relatively young material. I spent nine months at Cadiz University, in the Laboratory of materials and constructions of Algeciras, where we conduct various research on UHPC. In particular, I have been in charge of the experiments concerning the substitution of copper slags in the concrete mix. These are residuals of copper manufacturing process. Passing from pure ore to a usable material, copper undergoes different pyrometallurgical processes, that have as waste results precisely the slags. They are basically useless and should be disposed in landfills. A possible use could be the addition to bitumen in roads. We have tried to substitute these slags to a concrete mix, instead of coarse aggregate, in different percentages. This thesis is divided in three parts. The first one is a state of art of ultra high-performance concrete. As said, it is a relatively new material. Although first studies are dated back to the thirties of last century, its application is still uncommon and limited from its higher cost, with respect to ordinary concretes. In this chapter all main aspects of UHPC are debated, its development and the constituent materials. Later, how it is produced, the mixers that should be employed, how to place it. Then, the characteristics of the material are described, both in fresh and hardened state. Interesting is analysing how the fibres, present in the concrete, can influencing its behaviour, especially in tension. Flexural behaviour of UHPC is already excellent, compared with a normal-strength concrete, but the addition of fibres in the mix makes it excellent. The UHPC microstructure is really dense. This confers a good durability to this material. Its resistance to aggressive media is positive and has an almost null permeability. The second part is about materials and properties of our ultra high-performance concrete. Initially, the copper is described and how from the ore extraction, it arrives to slags production, through a series of industrial processes. The slags will be analysed at different levels, from chemical, mineralogical and toxicological points of view. The leaching and pozzolanic activity studies are necessary to a correct substitution of slags in the cementitious batch. The methods to get a concrete mix are various, we utilised the Metha-Aitcin method. It is based on practical experience, and it leads us to a first formulation of initial mix. The materials employed are described and it is described why this mixture has a too low water/binder ratio. Indeed, the materials do not bond together in a homogeneous mix, but they remain as a heterogeneous and moist heap. Hereafter, we perform tests to evaluate some material parameters. We calculated the granulometry, with relative grading curve and modulus, the absorption and the density of aggregates and slags. Once obtained these values, we raised the water/binder ratio to a value that could permit the batch to become homogeneous and also permit the hardened concrete to have an acceptable compressive resistance at 28 days. In this chapter are also explained the production of the UHPC, its curing and placing. Lastly, the initial mix is achieved and also the four mixes, obtained with different percentage of copper slag substitution. The final part is dedicated to tests we performed on our mixes. We test both fresh and hardened concretes. From first state we get the temperature and the flowing of the concrete. From hardened concrete we studied the compressive and flexural resistances, the elastic modulus and the shrinkage. Every test is introduced, the procedures are described, and the results are reported and commented. Finally, a conclusion is done about this thesis work and some spark are given on possible future research paths.

Un calcestruzzo ordinario può raggiungere i 40 MPa di resistenza alla compressione, un calcestruzzo ultra performante (UHPC) raggiunge i valori di 150 MPa. Ma parlare solo di questa proprietà sarebbe riduttivo. Questo materiale ha una serie di caratteristiche che lo rendono unico e dalle molteplici applicazioni. Le università di Valencia, Gijon e Cadice, hanno iniziato la ricerca intorno a questo tipo di calcestruzzo, più di tre anni fa, indagando diversi aspetti dell'UHPC e ottenendo alcuni risultati interessanti. Questa domanda è nata da una mancanza nel codice spagnolo delle regolamentazioni per questo tipo di calcestruzzo, essendo un materiale relativamente giovane. Ho trascorso nove mesi all'Università di Cadice, nel Laboratorio di materiali e costruzioni di Algeciras, dove abbiamo svolto diverse ricerche sull'UHPC. In particolare, mi sono occupato degli esperimenti di sostituzione delle scorie di rame nel calcestruzzo. Si tratta di residui del processo di produzione del rame. Passando dal minerale puro ad un materiale utilizzabile, il rame subisce diversi processi pirometallurgici, che hanno come risultato di scarto proprio le scorie. Sono fondamentalmente inutili e dovrebbero essere smaltite in discarica. Un possibile utilizzo può essere l'aggiunta al bitume nelle strade. Abbiamo cercato di sostituire queste scorie in una miscela di calcestruzzo, al posto dell'aggregato grosso, in diverse percentuali. Questa tesi è divisa in tre parti. La prima è uno stato dell'arte sul calcestruzzo ad alte prestazioni. Come detto, è un materiale relativamente nuovo. Sebbene i primi studi risalgano agli anni Trenta del secolo scorso, la sua applicazione è ancora poco comune e limitata dal suo costo più elevato, rispetto ai calcestruzzi ordinari. In questo capitolo vengono discussi tutti gli aspetti principali dell'UHPC, il suo sviluppo e i materiali costituenti. In seguito, come viene prodotto, i miscelatori da utilizzare, come collocarlo. Vengono poi descritte le caratteristiche del materiale, sia allo stato fresco che indurito. Interessante è analizzare come le fibre, presenti nel calcestruzzo, possono influenzare il suo comportamento, soprattutto in tensione. Il comportamento flessionale dell'UHPC è già buono, rispetto ad un calcestruzzo normale, ma l'aggiunta di fibre nell'impasto lo rende eccellente. La microstruttura in UHPC è molto densa. Ciò conferisce a questo materiale una buona durata nel tempo. La sua resistenza ai mezzi aggressivi è positiva e ha una permeabilità quasi nulla. La seconda parte riguarda i materiali costituenti e le proprietà del nostro calcestruzzo. Inizialmente, il rame è illustrato e si spiega come dall'estrazione del minerale si arrivi alla produzione di scorie, attraverso una serie di processi industriali. Le scorie saranno analizzate a diversi livelli, dal punto di vista chimico, mineralogico e tossicologico. Gli studi di lisciviazione e di attività pozzolanica sono necessari per una corretta sostituzione delle scorie nel lotto cementizio. I metodi per ottenere una miscela di calcestruzzo sono diversi, abbiamo utilizzato il metodo Metha-Aitcin. Si basa sull'esperienza pratica e ci porta ad una prima formulazione della miscela iniziale. I materiali utilizzati sono descritti e si spiega perché questa miscela ha un rapporto acqua/legante troppo basso. Infatti, i materiali non si legano tra loro in una miscela omogenea, ma rimangono come un ammasso eterogeneo e umido. Di seguito, effettuiamo test per valutare alcuni parametri dei materiali. Abbiamo calcolato la granulometria, con curva e modulo granulometrici, l'assorbimento e la densità di aggregati e scorie. Una volta ottenuti questi valori, abbiamo innalzato il rapporto acqua/legante ad un valore che ha permesso al mix di diventare omogeneo e al calcestruzzo indurito di avere una resistenza alla compressione accettabile a 28 giorni. In questo capitolo vengono anche spiegati la produzione dell'UHPC, la sua maturazione e la sua collocazione. Infine, si ottengono la miscela iniziale e anche le quattro miscele, ricavate con diverse percentuali di sostituzione delle scorie di rame. La parte finale è dedicata ai test che abbiamo eseguito sui nostri calcestruzzi. Abbiamo testato la temperatura e lo scorrimento del calcestruzzo fresco. Dal materiale indurito abbiamo studiato le resistenze a compressione e flessione, il modulo elastico e il ritiro. Ogni test viene introdotto, vengono descritte le procedure e i risultati vengono riportati e commentati. Infine, viene fatta una conclusione su questo lavoro di tesi e viene data qualche pista su possibili ricerche futuri.