High volume coal and biomass fly ash eco-efficient concrete

Abstract

The environmental impact related with the use of several materials in construction sector is in the order of the day. It is well known that the production of Portland cement, one of the materials most used in the construction sector, has a significant contribution to the environmental impacts, mainly related with carbon dioxide emission. Therefore, the study and utilization of by-products or wastes usable as cement replacement in concrete can supply more sustainable options, but maintaining or improving the quality and durability properties of plain cement concrete. Worldwide, coal fly ash (CFA) is the most used supplementary cementitious material in concrete production, mainly because it presents several advantages such as: it is a by-product of coal combustion, is available in great quantities worldwide and is cheaper than Portland cement. Nowadays, coal fly ash is commonly used as cement replacement in concrete from 0 to 40%wt. Using high volumes of these materials has some drawbacks, one of them being the decrease of the pH of concrete thus leading to carbonation issues. In order to understand phenomena such as this, it is important to study the interaction between the mineral additions and hydration of cement and try to find new solutions for the issues related with this type of concrete. The utilization of biomass fly ash (BFA) as partial replacement of cement in concrete production has been studied by several authors and it was verified that this alkaline material can have benefits for concrete. However, its application in high volume fly ash concrete has not been so much studied and because of its characteristics, mainly chemical characteristics, can be a solution to, for example, the carbonation issue of these concretes. So, the main objective of this work was to assess the use of biomass fly ash as cement replacement material or at least as an alkalinity source in high volume fly ash concrete, with a focus on the effect of using biomass fly ash on the quality, durability and sustainable properties, such as: workability, mechanical resistance, resistance to carbonation, resistance to chlorides ions penetration, shrinkage, porosity, leaching of toxic compounds and environmental performance. The results of this study showed that biomass fly ash can improve the properties of high volume fly ash concrete when it is used in small amounts, being the best results verified for 0.5%wt and 1.3%wt of BFA blended with the equivalent proportion of coal fly ash to maintain 50%wt of cement replacement. The two fly ashes seem to have a good synergy in those situations. BFA blended with CFA seems to have a positive contribution on the quality, durability and sustainability of concrete when compared with concrete containing only coal fly ash as supplementary cementitious material or when compared to a plain cement concrete. Thus, with the utilization of BFA, at an industrial level of concrete production, some issues can be minimized, such as the decrease on energy and raw materials consumption related to cement production, and also issues related with the concrete properties and a more sustainable option on the ash management can be applied, than its landfill deposition.

O impacte ambiental relacionado com o uso de diversos materiais no sector da construção está na ordem do dia. É bem sabido, que a produção do cimento Portland, um dos materiais mais usados na construção, tem uma contribuição significativa para os impactes ambientais, essencialmente relacionados com a emissão de dióxido de carbono para a atmosfera. Assim, o estudo e a utilização de subprodutos ou resíduos, usáveis como substitutos do cimento na produção de betão, podem oferecer opções mais sustentáveis, mas mantendo ou melhorando a qualidade e a durabilidade do betão convencional. Por todo o mundo, as cinzas volantes de carvão (CVC) são o material cimentício suplementar mais utilizado na produção de betão, principalmente por apresentarem diversas vantagens, tais como: ser um subproduto da combustão do carvão e estar disponíveis em grandes quantidades, e serem mais baratas do que o cimento Portland. Hoje em dia, as cinzas volantes de carvão são utilizadas em proporções de substituição do cimento de 0-40%m. A utilização de grandes volumes de cinzas tem alguns problemas e um deles é a diminuição do pH do betão que conduz a problemas de carbonatação. Para entender fenómenos como este, é importante estudar a interação entre as adições minerais e a hidratação do cimento e tentar encontrar novas soluções para os problemas relacionados com este tipo de betões. A utilização de cinzas volantes de biomassa (CVB) como um substituo parcial do cimento na produção de betão tem sido estudada por diversos autores e foi verificado que este material alcalino pode trazer benefícios para o betão. Contudo, a sua aplicabilidade em betões com elevado teor de cinzas volantes não foi ainda muito estudada e, devido às sua características, principalmente químicas, pode ser uma solução para o problema da carbonatação destes betões. Assim, o principal objetivo deste trabalho foi o de avaliar se é possível o uso de cinzas volantes de biomassa como substituto material do cimento ou como reservatório de alcalinidade nos betões com elevado teor de cinzas volantes, focando-se no efeito do uso das cinzas volantes de biomassa na qualidade, durabilidade e sustentabilidade, tais como: trabalhabilidade, resistências mecânicas, resistência à carbonatação e à penetração de iões cloretos, retração, porosidade, lixiviação de compostos tóxicos e o desempenho ambiental. Os resultados, obtidos neste estudo, mostraram que as cinzas volantes de biomassa podem melhorar as propriedades dos betões com elevado volume de cinzas volantes, quando utilizadas em pequenas quantidades, sendo os melhores resultados observados para valores de 0.5%m e 1.3%m de CVB misturada com a proporção equivalente de cinzas volantes de carvão, que correspondem a uma substituição de cimento de 50%m. As duas cinzas parecem apresentar uma boa sinergia nestas situações. A mistura das duas cinzas aparenta apresentar uma contribuição positiva na qualidade, durabilidade e sustentabilidade dos betões, quando comparada com betões só com CVC como material cimentício suplementar ou quando comparada com o betão de cimento, sem incorporação de adições minerais. Assim, a utilização das CVB num nível industrial de produção de betão pode resolver alguns problemas, nomeadamente conduzindo à diminuição de energia e matérias-primas consumidas na produção do cimento e, também problemas relacionados com as propriedades do betão, apresentando-se como uma opção mais sustentável para a gestão das cinzas do que a sua deposição em aterro.