Biodiesel by-product as an admixture for cement-based materials: an experimental study

Abstract

The incorporation of admixtures or additions into concrete mixtures is extremely generalized owing to their ability to confer numerous advantageous effects on concrete. However, because admixtures are frequently expensive and may carry relevant ecological footprints, there is an increasingly higher necessity and interest in finding cheaper and more sustainable admixtures in otherwise useless by-products generated by industrial processes. Biodiesel production in one of such industries, which by-product is the crude glycerol that is produced in a 1:10 mass ratio in relation to biodiesel production, and it generally has 80%- 88% of purity, thus containing various impurities, such as ash, soap, chloride and residual methanol. In order to make crude glycerol a useful product for general industry processing, it is necessary to upgrade it to glycerol of high purity. Nonetheless, at intermediate levels of purity, crude glycerol might be usable for concrete industry. In fact, because of its physicalchemical properties and compounds, it is plausible to suspect that there might be a potential synergy between the crude purified glycerol with cement-based materials by applying this treated by-product to the mixture as an admixture. As such evaluation is not yet reported in the literature, the corresponding research opportunity is identified and followed in this work. Thus, the main objective of this dissertation is to understand the effects of the addition of crude purified glycerol obtained from biodiesel production into cementitious materials. For this purpose, an experimental program has been carried out on several mixtures of cement pastes and mortars regarding the incorporation of crude purified glycerol, but also reference materials such as synthetic glycerol and a commercial antifreeze admixture. The analysis of the obtained results allowed the evaluation of the incorporation of crude purified glycerol over the fresh and hardened properties of cement-based materials. As main conclusions, it is possible to highlight that the inclusion of crude purified glycerol caused a reduction of the initial and final setting times of the cement paste samples and a significant increase in the pace of stiffness/strength evolution in the cement paste samples since early ages. Therefore, there is a strong potential to further study crude purified glycerol as an accelerating admixture.

A incorporação de aditivos ou adições no betão está muito generalizada devido às suas capacidades de conferir diversos efeitos vantajosos no betão. Contudo, as misturas são, por vezes, caras e podem implicar impactos ambientais negativos, pelo que aumenta a necessidade e o interesse em encontrar soluções mais baratas e mais sustentáveis, suportadas no aproveitamento de subprodutos de outras indústrias. A produção de biodiesel é uma dessas indústrias, cujo subproduto é o glicerol bruto, produzido num rácio de 1:10, em relação à produção de biodiesel e tem, normalmente, um grau de pureza de entre 80%-88%, sendo, portanto, constituído por diversas impurezas, tais como ash, soap and chloride and residual methanol. Para possibilitar a sua utilidade na generalidade das indústrias, é necessário purificá-lo previamente de modo a torna-lo num glicerol com elevado grau de pureza. No entanto, o glicerol bruto purificado a níveis intermédios pode ser útil para a indústria do cimento. De facto, devido à sua composição e às suas propriedades físicas e químicas, é expectável que possa existir uma potencial sinergia entre o glicerol bruto purificado e os materiais cimentícios, quando incorporado na mistura como um aditivo. Face ao exposto, esta investigação constitui uma avaliação desta problemática, que ainda não está reportada na literatura. Assim, o objetivo principal deste estudo é o de compreender os efeitos da incorporação do glicerol derivado da produção do biodiesel em materiais cimentícios. Para tal, desenvolveu-se um programa experimental a partir da realização de diferentes misturas de pastas de cimento e de argamassas que compreenderam a incorporação não só do glicerol bruto purificado, mas também do glicerol sintético e de uma mistura comercial com propriedades anticongelantes. A análise dos resultados possibilitou a avaliação dos efeitos da incorporação do glicerol bruto nas propriedades frescas e endurecidas dos materiais cimentícios. Como principais conclusões, é possível afirmar que a incorporação do glicerol provocou uma redução do início e fim de presa e que causou um aumento no grau de aquisição de rigidez/resistência dos referidos materiais. Consequentemente, há um forte potencial para estudar mais aprofundadamente o efeito do glicerol bruto purificado como um aditivo acelerador de presa e endurecimento.