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Incorporação de cinzas volantes de biomassa em materiais cimentíceos
Doutoramento em Ciência e Engenharia de MateriaisIn recent years, pressures on global environment and energy security have led to an
increasing demand on renewable energy sources, and diversification of Europe’s
energy supply. Among these resources the biomass could exert an important role,
since it is considered a renewable and CO2 neutral energy resource once the
consumption rate is lower than the growth rate, and can potentially provide energy for
heat, power and transports from the same installation. Currently, most of the biomass
ash produced in industrial plants is either disposed of in landfill or recycled on
agricultural fields or forest, and most times this goes on without any form of control.
However, considering that the disposal cost of biomass ashes are raising, and that
biomass ash volumes are increasing worldwide, a sustainable ash management has
to be established.
The main objective of the present study is the effect of biomass fly ashes in cement
mortars and concretes in order to be used as a supplementary cementitious material.
The wastes analyzed in the study were collected from the fluidized bed boilers and
grate boilers available in the thermal power plants and paper pulp plants situated in
Portugal. The physical as well as chemical characterisations of the biomass fly ashes
were investigated. The cement was replaced by the biomass fly ashes in 10, 20 and
30% (weight %) in order to investigate the fresh properties as well as the hardened
properties of biomass fly ash incorporated cement mortar and concrete formulations.
Expansion reactions such as alkali silica reaction (ASR), sulphate attack (external
and internal) were conducted in order to check the durability of the biomass fly ash
incorporated cement mortars and concretes. Alternative applications such as
incorporation in lime mortars and alkali activation of the biomass fly ashes were also
attempted.
The biomass fly ash particles were irregular in shape and fine in nature. The chemical
characterization revealed that the biomass fly ashes were similar to a class C fly ash.
The mortar results showed a good scope for biomass fly ashes as supplementary
cementitious materials in lower dosages (<20%). The poor workability, concerns
about the organic content, alkalis, chlorides and sulphates stand as the reasons for
preventing the use of biomass fly ash in high content in the cement mortars. The
results obtained from the durability tests have shown a clear reduction in expansion
for the biomass fly ash mortars/concretes and the binder blend made with biomass fly
ash (20%) and metakaolin (10%) inhibited the ASR reaction effectively. The biomass
fly ash incorporation in lime mortars did not improve the mortar properties
significantly though the carbonation was enhanced in the 15-20% incorporation. The
biomass fly ash metakaolin blend worked well in the alkali activated complex binder
application also. Portland cement free binders (with 30-40 MPa compressive
strength) were obtained on the alkali activation of biomass fly ashes (60-80%)
blended with metakaolin (20-40%).Recentemente, as pressões ao nível da segurança, do ambiente e da energia
conduziram a uma procura crescente de fontes de energia renováveis, e à
diversificação das fontes de energia da Europa. Entre estes recursos a
biomassa pode ter um papel importante, uma vez que é considerada como
um recurso renovável e neutra em termos de CO2 pois a taxa do consumo é
mais baixa do que a taxa de crescimento e pode potencialmente fornecer
energia para calor, eletricidade e transportes a partir da mesma instalação.
Atualmente, a maioria da cinza de biomassa produzida em unidades
industriais é disposta em aterro ou reciclada na floresta ou na agricultura e, na
maioria das vezes, isto sucede sem grande controlo. Contudo, considerando
que o custo da eliminação de cinzas de biomassa vem crescendo, e que os
volumes da cinza de biomassa estão a aumentar, uma gestão sustentável das
cinzas tem de ser implementada.
O objetivo principal deste trabalho é o estudo do efeito de cinzas volantes de
biomassa em argamassas e betões com base em cimento de modo a serem
usadas como um material cimentíceo suplementar. Os resíduos analisados no
estudo foram colhidos de caldeiras de leito fluidizado e caldeiras de grelha
disponíveis em unidades de produção elétrica e em unidades industriais de
produção de pasta e papel em Portugal. As caracterizações físicas e químicas
das cinzas volantes de biomassa foram efetuadas. O cimento foi substituído
pelas cinzas de biomassa a fim de investigar o efeito nas propriedades no
estado fresco bem com nas propriedades no estado endurecido de
formulações de argamassa e betão. Reações expansivas tais como a reação
alcali-sílica (ASR) e as reações sulfáticas (externas e internas) foram
estudadas a fim verificar a durabilidade das argamassas e betões de cimento
contendo cinzas volantes de biomassa. As aplicações alternativas tais como a
incorporação de cinzas em argamassas de cal e a ativação alcalina foram
também estudadas.
As partículas da cinza de biomassa eram irregulares na forma e finas. A
caracterização química revelou que as cinzas eram similares a uma cinza
volante da classe C. Os resultados em argamassas mostraram viabilidade
para o uso de cinzas de biomassa como materiais cimentíceos suplementares
em teores baixos (<20%). A trabalhabilidade, o conteúdo orgânico, o teor de
alcalinos, cloretos e sulfatos são razões para impedir maiores incorporações
de cinza de biomassa nas argamassas de cimento. Os resultados dos testes
da durabilidade mostraram uma redução na expansão para argamassas e
betões contendo cinzas de biomassa especialmente quando se misturou
cinzas (20%) com metacaulino (10%). A incorporação da cinza de biomassa
em argamassas de cal não melhorou as propriedades significativamente
embora a carbonatação fosse maior quando da incorporação de 15 ou 20%. A
mistura do metacaulino com a cinza de biomassa funcionou bem na aplicação
envolvendo a ativação alcalina. Ligantes sem cimento Portland com
resistência à compressão de 30-40 MPa foram obtidas pela ativação alcalina
das cinzas de biomassa (60-80%) misturadas com o metacaulino (20-40%)
Characterisation and use of biomass fly ash in cement-based materials
This paper presents results about the characterisation of the biomass fly ashes sourced from a thermal
power plant and from a co-generation power plant located in Portugal, and the study of new cement
formulations incorporated with the biomass fly ashes. The study includes a comparative analysis of the
phase formation, setting and mechanical behaviour of the new cement–fly ash formulations based on
these biomass fly ashes. Techniques such as X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence spectroscopy
(XRF), thermal gravimetric and differential thermal analysis (TG/DTA), X-ray photoelectron spectroscopy
(XPS), scanning electron microscopy (SEM) and environmental scanning electron spectroscopy (ESEM)
were used to determine the structure and composition of the formulations. Fly ash F1 from the thermal
power plant contained levels of SiO2, Al2O3 and Fe2O3 indicating the possibility of exhibiting pozzolanic
properties. Fly ash F2 from the co-generation plant contained a higher quantity of CaO (∼25%). The fly
ashes are similar to class C fly ashes according to EN 450 on the basis of chemical composition. The
hydration rate and phase formation are greatly dependant on the samples’ alkali content and water to
binder (w/b) ratio. In cement based mortar with 10% fly ash the basic strength was maintained, however,
when 20% fly ash was added the mechanical strength was around 75% of the reference cement mortar.
The fly ashes contained significant levels of chloride and sulphate and it is suggested that the performance
of fly ash–cement binders could be improved by the removal or control of these chemical species