Evaluation of the Properties of Cement Mortars with the Addition of Thermoelectric Generation Waste

Journal: Journal of Building Technology DOI: 10.32629/jbt.v6i2.2631

Daniele Ferreira Lopes, Sabrina Neves da Silva

Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA), Graduate Program in Materials Science and Engineering (PPCEM), Advanced Study Group in Energy Engineering (GREEn)

Abstract

The partial cement replacement by solid wastes of thermoelectric generation in mortar formulations can contribute to environmental preservation and the development of more durable construction materials. This study aimed to evaluate the influence of Portland cement partial replacement by coal fly ash and flue gas desulphurization by-product on the cementitious mortars properties. The experimental methodology consisted of the residues characterization by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy and particle size analysis. Cylindrical blocks of mortar with a 50 × 100 mm dimensions and a 1: 3: 0.48 trace (cement: sand: water/cement) were prepared according with NBR 7215 standard. Cement was replaced, by mass, in the proportions of 6%, 16% and 26%. Comprehensive strengths (NBR 7215) were measured at 7, 14 and 28 days of wet cure. In addition, water absorption by capillarity test was performed (NBR 9722). The results were compared with a reference sample, that is, without residues. It has been shown that, mineralogically, the ashes contain mulita, quartz (mainly) and hematite and have 42.19 μm average diameter. Particle morphology is predominantly spherical containing some porosities. The by-product is a material rich in calcium sulfate and quartz traces with 17.8 μm average diameter and consists of agglomerated particles with varied morphology. The results showed that the replacement of 6% Portland cement by ashes improves the performance of mortars in terms of axial comprehensive strength and capillarity water absorption. For the mortars containing the by-product, the improvement in mechanical properties was not evinced.

Funding

coal fly ash; gas desulfurization; recycling; thermoelectric generation; cement mortars

References

[1] TREVISOL, C.A., SILVA, P.R.P., PAULA, M.M.S., et al. "Avaliação de inibidores de corrosão para estruturas de concreto armado", Revista Matéria UFRJ, 22, n°. 4, 2017.
[2] GASPARETTO, A., PANTOJA, J.C., RAMIRES, F.B. "Metodologia para inspeção e avaliação da segurança e durabilidade de estruturas de concreto armado", Brazilian Journal of Development, 7.1: 4942-4960. 2021.
[3] TINOCO, M.P., SILVA, F.A. "Viabilidade da aplicação de compósitos do tipo SHCC para melhoria da durabilidade de estruturas de concreto", Gestão e Gerenciamento, 13.13: 52-59. 2020.
[4] OLIVEIRA, J., SERRA, F.A., et al "Análise da substituição do aço por bambu em estruturas de concreto armado", Brazilian Journal of Development, 6.9: 72453-72467. 2020.
[5] UENDE, S.B., SALOMÃO, P.E.A., LAUAR, G.T., RIBEIRO, P. T."Reutilização do concreto como contribuição para a sustentabilidade na construção civil", Revista Multidisciplinar do Nordeste Mineiro-Unipac, ISSN 2178: 6925. 2018.
[6] BARROS, E., FUCALE, S. "O Uso de Resíduos da Construção Civil como agregados na Produção de Concreto", Revista de Engenharia e Pesquisa Aplicada, v. 2, n. 1, 2016.
[7] CAPELIN, L.J., MORAES, K.K., ZAMPIERI, J.P, et al "Avaliação dos Efeitos da Fibra de Coco e da Microcelulose Cristalina nas Propriedades de Argamassas Cimentícias", Revista Matéria UFRJ, v. 25, n. 1, 2020.
[8] PEREIRA, A.M., SILVA, C.A.R., QUEIROZ, D.C.A.M., et al "Estudo das propriedades mecânicas do concreto com adição de cinza de casca de arroz", Revista Matéria UFRJ, v. 20, n. 1, 2015.
[9] SALES, A., LIMA, S.A. "Use of Brazilian sugarcane bagasse ash in concrete as sand replacement", Waste Management, v. 30, n. 6, p. 1114-1122, 2010.
[10] MATOS, P.R., JUNCKES, R., PRUDÊNCIO, L.R. "Influência do uso de cinza volante na elevação adiabática de temperatura e resistência à compressão de concretos", Revista Matéria UFRJ, v. 24, n. 2, 2019.
[11] COSTA, F.L. "Influência do uso de aditivo acelerador de resistência baseado em nitrato de cálcio no desempenho de argamassas de cimento Portland com adição de cinza volante", Revista Matéria UFRJ, v. 23, n. 3, 2018.
[12] KNIESS, C.T., COSTA, P.R., QUONIAM, L., et al "Utilização do resíduo resultante da combustão de carvão mineral em usinas termelétricas na produção de novos materiais: uma análise a partir de artigos científicos e de patentes", Revista de Gestão social e ambiental, 13.1: 76-93. 2019.
[13] SALUM, P.L. "Efeito da elevação de temperatura sobre a resistência à compressão de concretos massa com diferentes teores de cinza volante", Dissertação de M.Sc, Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis. 2016.
[14] WITZKE, F.B., CORREIA, S.L., MEDEIROS, R.A. "Abrasão superficial de concretos contendo cinza volante em substituição parcial ao cimento Portland", Revista Técnico-Científica, 21. 2019.
[15] FELTRIN, C.S., ISAIA, G.C. e LUBECK, A. "Efeitos sinérgicos entre adições minerais na resistência e microestrutura de concretos", IBRACON Structures and Materials Journal, 13.6. 2020.
[16] DOURADO, K.C.A., MOTA, J.M.F., BARBOSA, F.R., et al "Influência da adição de pozolana em concretos moldados na região de Caruaru" In: 9° Simpósio Internacional de estruturas, geotecnia y materiales de construción Pernambuco, 2018. Anais [...]. Pernambuco, 2018.
[17] ALTHEMAN, D., FERREIRA, G., MONTINI, M., et al "Avaliação de Cinza volante de carvão mineral em matrizes cimentícias", Revista IBRACON de Estruturas e Materiais, 1320-1337, 2017.
[18] PACHECO, T.F., SHASAVANDI, A., JALALI, S. "Eco Efficient Concrete Using Industrial Wastes". A Review In: Materials Science Forum p 581-586. Portugal. 2013.
[19] DUARTE, D., PELISSER, F., PETERSON, M. "Propriedades do concreto com adição de cinza volante e cinza pesada" In: 1° Congresso Internacional de Tecnologias para o Meio Ambiente, Bento Gonçalves, 2008.
[20] SANTANA, R.A.A. "Avaliação do uso dos subprodutos da dessulfurização semi-seca dos gases da combustão da termelétrica do Pecém como insumo para a construção civil", Dissertação M.Sc, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018.
[21] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5736: Cimento Portland Pozolânico Rio de Janeiro: ABNT, 1991.
[22] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 18: Agregados - Determinação da composição granulométrica Rio de Janeiro: ABNT, 2012.
[23] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 11-2: Cimento Portland - Análise química - Método optativo para determinação de óxidos principais por complexometria Parte 2: Rio de Janeiro: ABNT, 2009.
[24] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 15: Cimento Portland - Análise química - Determinação de resíduo insolúvel Rio de Janeiro: ABNT, 2012.
[25] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 13: Cimento Portland - Análise química - Determinação de óxido de cálcio livre pelo etileno glicol Rio de Janeiro: ABNT, 2012.
[26] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 23: Cimento Portland - Análise química - Cimento Portland e outros materiais em pó - Determinação da massa específica Rio de Janeiro: ABNT, 2001.
[27] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 76: Cimento Portland - Determinação da finura por meio da peneira 75 μm (n° 200) - Método de ensaio Rio de Janeiro: ABNT, 1998.
[28] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 11579: Cimento Portland - Determinação da finura pelo método de permeabilidade ao ar (Método de Blaine) Rio de Janeiro: ABNT, 1991.
[29] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 43: Cimento Portland - Determinação da pasta de consistência normal Rio de Janeiro: ABNT, 2003.
[30] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 65: Cimento Portland - Determinação do tempo de pega. Rio de Janeiro: ABNT, 2003.
[31] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 11582: Cimento Portland - Determinação da expansabilidade de Le Chatelier - Método de ensaio. Rio de Janeiro: ABNT, 2012.
[32] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7215: Cimento Portland - Determinação da resistência à compressão Rio de Janeiro: ABNT, 2019.
[33] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7211: Agregados para Concreto – Especificações. Rio de Janeiro: ABNT, 2005.
[34] MALHERBE, C., HUTCHINSON, I.B., McHUGH, H.L., et al "Minerals and microstructure identification using Raman instruments: Evaluation of field and laboratory data in preparation for space mission", Journal of Raman Spectroscopy, v. 51, n. 9, p. 1613-1623, 2020.
[35] Database of Raman spectroscopy, X-ray diffraction and chemistry of minerals. Disponível em: https://rruff.info/ Acesso em 01 ago.2020.
[36] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7181: Solo – Análise granulométrica Rio de Janeiro: ABNT, 2018.
[37] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 9779: Argamassa e concreto endurecidos. Determinação da absorção de água por capilaridade, índice de vazios e massa específica: Método de ensaio Rio de Janeiro: ABNT, 2012.
[38] HOPPE, F.J., GOBBI, A., QUARCIONI, V.A., et al "Atividade pozolânica de adições minerais para cimento Portland (Parte I): Índice de atividade pozolânica (IAP) com cal, difração de raios-X (DRX), termogravimetria (TG/DTG) e Chapelle modificado", Revista Matéria UFRJ, v. 22, n°3. 2017.
[39] YAN, K., GUO, Y., MA, Z.Z., et al "Quantitative analysis of crystalline and amorphous phases in pulverized coal fly ash based on the Rietveld method", Journal of Non-Crystalline Solids, v. 483, p. 37-42, 2018.
[40] KRÓL, M., ROŻEK, P., MOZGAWA, W. "Synthesis of the Sodalite by Geopolymerization Process Using Coal Fly Ash", Polish Journal of Environmental Studies, v. 26, n. 6, 2017.
[41] AZEVEDO, A.G.S. STRECKER, K., BARROS, L.A., et al "Effect of curing temperature, activator solution composition and particle size in brazilian fly-ash based geopolymer production", Materials Research, v. 22, 2019.
[42] PEREIRA, L.F.S. "Estudo da reciclagem de cinza volante para produção de agregado sintético utilizando reator de leito fixo", Dissertação M.Sc, Universidade Federal do Pará – Instituto de Tecnologia – ITEC – Programa de Pós Graduação em Engenharia Química. Belém do Pará – PA. 2016.
[43] LI, J., et al "Potential utilization of FGD gypsum and fly ash from a Chinese power plant for manufacturing fire-resistant panels", Construction and Building Materials, v. 95, p. 910-921, 2015.
[44] MIAO, M., FENG, XIN., WANG, GANGLING., et al "Direct transformation of FGD gypsum to calcium sulfate hemihydrate whiskers: preparation, simulations, and process analysis", Particuology, v. 19, p. 53-59, 2015.
[45] GUPTA, V., PATHAK, D.K., DIDDIQUE, S., et al "Study on the mineral phase characteristics of various Indian biomass and coal fly ash for its use in masonry construction products", Construction and Building Materials, v. 235, p. 117413, 2020.
[46] SINGH, N., SHEHNAZDEEP., BHARDWAJ, A. "Reviewing the role of coal bottom ash as an alternative of cement", Construction and Building Materials, v. 233, p. 117276, 2020.
[47] SUN, H., TAN, D., PENG, T., et al. "Preparation of calcium sulfate whisker by atmospheric acidification method from flue gas desulfurization gypsum", Procedia Environmental Sciences, 31, 621-626. 2016.
[48] CAILLAHUA, M.C., MOURA, F.J. "Technical feasibility for use of FGD gypsum as an additive setting time retarder for Portland cement", Journal of Materials Research and Technology, 7.2: 190-197. 2018.
[49] MEHTA, P.K, MONTEIRO, P.J.M. "Concreto: microestrutura, propriedades e materiais", São Paulo: IBRACON, 2008.
[50] COSTA, A.B."Potencial Pozolânico da Cinza Volante como Material de Substituição Parcial de Cimento", Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da UNIVATES, 2008.
[51] LACERDA, L.V. "Síntese e caracterização de zeólita tipo sodalita obtida a partir de cinzas volantes de carvão mineral utilizado na usina termoelétrica de Candiota-RS", Dissertação de M.Sc, Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2015.
[52] DIAS, Y.R., RODRIGUES, R., MUNIZ, A.R.C. "Estudo da adsorção em leito fixo de cinzas volantes na remoção de compostos de enxofre do gás obtido na gaseificação do carvão mineral de Candiota-RS", In: V Congresso Brasileiro de Carvão Mineral Criciúma, 2017. Anais [...]. Criciúma, 2017.
[53] ZERBINO, R., GIACCIO, G., ISAIA, G.C. "Concrete incorporating rice-husk ash without processing", Construction and Building Materials, v. 25, n. 1, pp. 371-378, January 2011.
[54] HOANG, K., JUSTNES, H., GEIKER, M., "Early age strength increase of fly ash blended cement by a ternary hardening accelerating admixture", Cement and Concrete Research, v.81, pp. 59-69, 2016.
[55] TASHIMA, M.M. Cinza de casca de arroz altamente reativa: método de produção, caracterização físico-química e comportamento em matrizes de cimento Portland, dissertação de M.Sc., FEIS/UNESP, Ilha Solteira, SP, Brasil, 2006.
[56] KHATIB, J.M., WRIGHT, L., MANGAT, P.S. "Mechanical and physical properties of concrete containing FGD waste", Magazine of concrete Research, v. 68, n. 11, p. 550-560, 2016.
[57] MEDEIROS, J. R. A., MUNHOZ, G. S., MEDEIROS, M. H. F. "Correlations between water absorption, electrical resistivity and compressive strength of concrete with different contents of pozzolan", Revista ALCONPAT, 9.2: 152-166. 2019.
[58] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 16072: Argamassa impermeável Rio de Janeiro: ABNT, 2012.
[59] OLSSON, N., BAROGHEL, B.V., NILSSON, L.O., et al "Non-saturated ion diffusion in concrete – A new approach to evaluate conductivity measurements", Cement and Concrete Composites, 40:40-47. 2013.
[60] MEDEIROS, J.R.A., LIMA, M.G. "Electrical resistivity of unsaturated concrete using different types of cement", Construction and Building Materials, 107:11-16. 2016.
[61] BOTAS, S.M.S. "Avaliação do comportamento de argamassas em climas frios", Dissertação de MSc., Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia-Lisboa, 2019.

Copyright © 2024 Daniele Ferreira Lopes, Sabrina Neves da Silva

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License