Effect of embodied energy on cost-effectiveness of a prefabricated modular solution on renovation scenarios in social housing in Porto, Portugal

A large-scale energy renovation intervention in existing buildings has been consistently presented as the most significant opportunity to contribute to achieving the European targets for 2030 and 2050. One of the key points for such achievement is the cost-effectiveness of the interventions proposed, which is also closely related to decent housing affordability. Prefabricated modular solutions have been pointed out as a pathway, but there are knowledge gaps regarding both its cost-effectiveness and its environmental performance. Considering a social housing multi-family building in Porto, Portugal, as a case study, this research employs energy simulations, a cost-optimal methodology and a life cycle analysis approach to assess the influence of considering embodied energy and emissions in cost-effectiveness calculations. In general terms, the hierarchical relation between calculated renovation scenarios remain identical, as well as the choice of the cost-optimal combination, which can reduce primary energy needs by 226 kWh/(y.m2). However, embodied carbon emissions and embodied energy of the materials used in the calculations, which are indicative of the sustainability of such interventions, increase the energy and carbon emissions associated to each renovation package by an average of 43 kWh/(y.m2) and 9.3 kgCO2eq/(y.m2), respectively.This research was funded by European Union’s H2020 framework programme for research and innovation project “Development and advanced prefabrication of innovative, multifunctional building envelope elements for MOdular REtrofitting and CONNECTions” under grant agreement no 633477

New lime-based hybrid composite of sugarcane bagasse and hemp as aggregates

Bio-based materials help reduce the consumption of non-renewable resources, contributing to the development of sustainable construction. Industrial Hemp Concrete (IHC), which uses hemp stalk (HS) as an aggregate and a lime-based binder, is a bio-based material with various applications. This research developed a new hybrid composite in order to improve the mechanical strength and durability of hemp concrete, with the incorporation of sugarcane bagasse (SCB) as an aggregate, a resource of a renewable origin that is abundant in several countries. Different formulations were used, which were molded and pressed manually, evaluating their cohesion and compactness. The performance of the developed hybrid composite was measured considering mechanical, thermal, and durability properties. The compression test results showed an increase of 19–24% for composites with 75% hemp and 25% SCB. Thermal conductivity and thermal resistance coefficients were also improved, reaching 0.098 (W/m ◦C) and 0.489 (m2 ◦C/W), respectively. This aggregate combination also showed the lowest water absorption coefficient (reducing by 35%) and the best performance in durability tests compared to IHC. The resistance to freeze–thaw is highlighted, increasing 400%. The main reason is the influence of the SCB addition because the short and thin fiber form helps to maintain the physical integrity of the composite by filling the spaces between the hemp aggregates.(undefined

Durabilidade do betão à ação combinada da carbonatação e dos iões cloreto considerando a presença de cinzas volantes

Tese de Doutoramento em Engenharia CivilTo ensure the durability of concrete structures it is necessary to understand its behaviour in the presence of aggressive agents. Carbonation and chloride ingress are the two main causes of degradation in reinforced concrete. Despite the combined action of these two mechanisms being a reality, the few research endeavours on the area have not yet reached a consensus on the effect of the combined action of chlorides and carbonation on the durability of concrete. The fly ash content of the concrete is another important point in the studied, since the concrete with fly ash presents different behaviour in relation to the penetration of chlorides and the action of carbonation. To contribute to this ongoing and important discussion, laboratory tests were carried out to evaluate the influence of carbonation on the penetration of chlorides, the influence of the presence of chlorides on the carbonation front, the influence of the fly ash in this context and the influence of the type of test in the results. Moreover, this work also contributes to the discussion on the use of the immersion and drying cycles. Concrete specimens were cast with different water cement ratios: 0,40, 0,50, 0,55 and 0,60. Mortar and cement past were cast too. Specimens with 40% replacement of cement for fly ash (by mass) were molded. For mortar, specimens with 20 and 60% replacement of cement for fly ash were also molded. In addition, the following accelerated tests were used: carbonation chamber (T = 20ºC, HR = 60%, CO2 = 4%), chloride migration test, chloride diffusion by immersion (3,50% NaCl) and immersion and drying test. The time of exposure to the aggressive agents, combined or not, was also evaluated. According the results, the presence of chloride ions leads to a reduction in the carbonation depth. However, the chloride penetration into the cementitious matrix seems to be related to the carbonation depth. Regardless of the accelerated test used, from a certain carbonation depth, in this case identified as 8,00 mm, the carbonation increases the chloride penetration. On the other hand, for very low carbonation depths, below 8,00 mm, the carbonation decreases the chloride penetration. Regarding the use of fly ash in the cementitious matrix studied, it is possible to verify a significant increase in the chloride penetration in these matrices. As a consequence, there is a significant reduction in the chloride penetration resistance in concrete with fly ash. Regarding the type of test used to combine the chloride penetration and carbonation, it is possible to say that the combination of the carbonation chamber with the chloride diffusion by immersion seems to be the most appropriate choice for this study.Uma das formas de garantir a durabilidade das estruturas de betão é entender o seu comportamento na presença de agentes agressivos. O dióxido de carbono e os iões cloreto são os dois principais agentes causadores de degradação em estruturas de betão armado. Apesar da ação combinada destes dois agentes ser uma realidade, as investigações desenvolvidas na área ainda não reúnem um consenso sobre a forma como esta combinação afeta a durabilidade do betão. A dição de cinzas volantes ao betão, é mais um ponto importante no contexto estudado, uma vez que o betão com cinzas volantes apresenta comportamentos distintos face à penetração de cloretos e face à ação da carbonatação. No sentido de contribuir para esta atual e importante discussão, foi realizada uma campanha experimental que permitiu avaliar a influência da carbonatação na penetração de cloretos, a influência da presença de cloretos sobre o desenvolvimento da carbonatação, o efeito da presença das cinzas volantes neste contexto, e a influência do tipo de ensaio utilizado nos resultados obtidos, além de contribuir para a discussão sobre a utilização do ensaio cíclico de imersão e secagem. Para tal, foram utilizados betões com diferentes qualidades (razão água/ligante igual a 0,40, 0,50, 0,55 e 0,60), além de argamassas e pastas de cimento. As cinzas volantes foram utilizadas, em substituição ao cimento das matrizes cimentícias estudadas, na proporção de 40% de cinzas e 60% de cimento (em massa). No caso das argamassas, também foram estudadas as substituições de cimento por 20 e 60% de cinzas volantes. Além disso, foram utilizados os seguintes ensaios acelerados: câmara de carbonatação (T = 20ºC, HR = 60%, CO2 = 4%), migração de cloretos, difusão de cloretos por imersão (3,50% de NaCl) e ensaio cíclico de imersão e secagem. O tempo de exposição aos agentes agressores estudados, combinados ou não, também foi avaliado. Os resultados indicam que a presença de iões cloreto conduz a uma importante redução na profundidade de carbonatação. Já a penetração de iões cloreto nas matrizes cimentícias estudadas, parece estar relacionada com a profundidade de carbonatação atingida. Independentemente do ensaio acelerado utilizado, a partir de uma certa profundidade, aqui identificada como 8,00 mm, a carbonatação age de maneira a aumentar a penetração de cloretos na matriz. Para valores de carbonatação muito reduzidos, neste caso, abaixo dos 8,00 mm, a carbonatação age de maneira a reduzir a penetração de cloretos. Sobre a utilização de cinzas volantes nas matrizes cimentícias estudadas, é possível verificar um aumento significativo na penetração de cloretos. Como consequência, há uma redução importante na resistência a penetração de cloretos nos betões com cinzas volantes. Sobre o tipo de ensaio utilizado para combinar a ação dos cloretos e da carbonatação, é possível afirmar que, a combinação da câmara de carbonatação com a difusão de cloretos por imersão parece ser a escolha mais acertada para o estudo da ação combinada

Carbonation resistance of high volume fly ash concrete

"Chapter 2: Materials and Residues"The cement industry is responsible for a large part of the global environmental problems: is the largest consumer of natural resources; the most responsible for the emission of greenhouse gases, including about 1.8 Gt of CO2; and requires huge amounts of energy, corresponding to between 12 and 15% of industrial energy use. The cement is also not used in the most appropriate manner, since 40% of the consumption of concrete is due to the renovation and repair of buildings, making concrete structures inefficient because its durability is relatively low. However, in the future, concrete can and should evolve in order to improve its eco-efficiency, with a smaller amount of cement in its composition, replacing it with high quantities of mineral additions, particularly fly ash. Nevertheless, current technology may not allow this type of concrete to be very efficient, because its long-term durability may be compromised. In fact, with increasing dosage of pozzolanic mineral additions, alkali paste components are consumed in the reaction leaving it vulnerable to concrete carbonation which may compromise the passivation layer needed for steel rebar protection against corrosion. This article explores a promising approach to mitigate this problem, which consists in the careful addition of hydrated lime in the concrete composition, highlighting the synergy of its components, significantly enhancing its carbonation resistance. It is proposed, therefore, to manufacture a concrete with high volume of fly ash, low cement content and high service life period: an efficient and sustainable concrete. In this context, an experimental campaign was developed with the aim of characterization of pastes behavior with high fly ash content, in particular with respect to its durability. The results will be presented and properly analyzed.(undefined

Calcium hydroxide curing for accelerated carbonation testing of high volume fly ash cementitious blends

During wet curing, the alkali concrete compounds, such as calcium hydroxide, can be leached out to the curing solution, due to the pH gradient between concrete and curing solution. In the presence of high volume fly ash cementitious blends, there is a decrease in concrete pH that may further magnify the problem. In this context it was carried out a research in mortars with an original composition of high volume fly ash and calcium hydroxide. These were exposed to water curing and water saturated with calcium hydroxide curing. The results show that the introduction of calcium hydroxide in the curing solution, provides a slightly enhancement of carbonation resistance. Based on the obtained results, the incorporation of calcium hydroxide in the initial composition seems to be useful to develop extra strength to carbonation of high volume of fly ash concrete.The authors wish to acknowledge the team of the Laboratory of Building Materials of University of Minho and the Unit for Research and Development Materials of ESTG from Polytechnic Institute of Viana do Castelo in this research collaboration. Also thank Secil SA, BASF SA and Mota Engil by its kindly supply of cement, superplasticizer and fly ash, respectively. SEM and XRD facilities were funded by FEDER Funds through QREN - Aviso SAIECT- IEC/2/2010, Operacao NORTE-07-0162-FEDER-000050

Ação combinada da carbonatação e dos iões cloreto em betões com cinzas volantes

A incorporação de cinzas volantes (CV) em matrizes cimentícias tem sido frequentemente utilizada a fim de tornar a matriz mais resistente à ação dos cloretos. Contudo, sabe-se que o Ca(OH)2 existente na matriz é parcialmente consumido pelas reações pozolânicas, o que facilita o avanço da frente de carbonatação. Uma vez que a ação dos iões cloreto e da carbonatação estão, normalmente, na origem do fenómeno de corrosão do aço no betão, é importante perceber o comportamento de betões com incorporação de CV quando a estrutura é submitida à ação combinada destes dois agentes agressores. Desta forma, estudou-se a influência da profundidade de carbonatação no coeficiente de difusão de cloretos. Para tal, foram utilizadas amostras de betão com uma percentagem de CV em substituição da massa de ligante de 40%, cimento CEM I 42,5 R e com uma razão água/ligante de 0,5. Após o período de cura, 90 dias, as amostras foram carbonatadas sob as seguintes condições: 20ºC, 55%HR e 4%CO2, durante 1, 2 e 3 meses. Ao fim de cada período de carbonatação, foram ensaiadas as amostras carbonatadas, através do ensaio de migração em regime não estacionário de acordo com a especificação LNEC E463. Os resultados obtidos permitiram concluir que o efeito combinado dos agentes agressores estudados traduz-se num aumento da penetração de cloretos no betão com CV. Acredita-se que o aumento da profundidade de carbonatação, ao longo dos três períodos de ensaio, foi o responsável pelo aumento do coeficiente de difusão de cloretos que esteve na ordem dos 50%, do primeiro para o terceiro mês

Matrizes cimentícias com elevado volume de cinzas volantes e hidróxido de cálcio : estudo da Carbonatação

O crescente volume de incorporação de cinzas volantes como substituição do cimento poderá ser um veículo para produzir um betão mais ecológico e eficiente. No entanto, a tecnologia atual não permite que este tipo de betão seja realmente eficaz, pois a sua resistência à carbonatação poderá ser menor. Além disso, a tendência demográfica para as populações aglomerarem-se em meios cada vez mais urbanos e industrializados, proporciona um ambiente cada vez mais agressivo e exigente para as estruturas de betão. Aborda-se uma metodologia para a mitigação deste problema, adicionando hidróxido de cálcio na composição do betão. Neste contexto desenvolveu-se uma campanha experimental em argamassas com o objetivo de caracterizar a resistência à compressão e à carbonatação. Os resultados sugerem que esta tecnologia pode ser aplicada no betão de modo vantajoso

Durabilidade do betão à ação combinada da carbonatação e dos iões cloreto

A corrosão das armaduras de aço tem sido a principal causa de deterioração das estruturas de betão armado em todo o mundo. A ação dos iões cloreto e da carbonatação estão, normalmente, na origem do fenómeno. Ao contrário do que acontece com o efeito individual destes agentes agressores, estudos sobre o efeito combinado no betão ainda são pouco expressivos em quantidade e não reúnem consenso. Sabe-se que, isoladamente, a carbonatação modifica a microestrutura do betão e altera o seu pH. Estes fatores, no contexto da ação combinada, podem ter influência direta na difusão dos cloretos. Estudou-se a influência da carbonatação na penetração de cloretos. Para tal, foram utilizadas amostras de betão, com cimento CEM I 42,5 R e razão água/ligante de 0,55. Após o período de cura, metade das amostras foram carbonatadas(1, 2 e 7 meses), sob as seguintes condições: 20ºC, 55%HR e 4%CO2. A outa metade, foi protegida de forma a inibir a carbonatação e foi conservada em ambiente de laboratório. Ao fim do período de carbonatação, as amostras com e sem exposição ao CO2 foram submetidas ao ensaio de migração de cloretos de acordo com a especificação LNEC E463. Os resultados obtidos permitiram concluir que, para as condições estudadas, o efeito combinado dos agentes agressores traduz-se num aumento da penetração de cloretos no betão quando comparado com o efeito individual dos iões cloreto, o que pode acelerar o processo corrosivo. Este facto pode estar relacionado com o aumento nos grandes poros capilares e com redução na capacidade de fixação de cloretos causado pela carbonatação

Resistência à carbonatação de betões de elevado volume de cinzas volantes

Vol.3A indústria do cimento é responsável por uma larga cota dos problemas ambientais a nível global: é a maior consumidora dos recursos naturais; é a maior responsável pela emissão de gases de efeito de estufa incluindo cerca de 1.8 Gt de CO /ano; e necessita de enormes quantidades de energia, correspondendo entre 12 a 15% da energia industrial utilizada. O cimento também não é utilizado da forma mais adequada, pois 40% do consumo de betão devese à reparação e renovação das construções, o que torna as estruturas de betão pouco eficientes devido à sua relativamente baixa durabilidade. Contudo, no futuro, o betão poderá e deverá evoluir no sentido de melhorar a sua eco-eficiência, utilizando menor quantidade de cimento na sua composição, substituindo-o por elevado volume de adições minerais, nomeadamente cinzas volantes. No entanto, a tecnologia atual não permite que este tipo de betão seja eficiente, pois a sua durabilidade a longo prazo pode estar comprometida. De facto, com o aumento da dosagem de adições minerais, os componentes alcalinos da pasta são consumidos na reação pozolânica, podendo comprometer a camada passivante, protetora das armaduras, ficando o betão vulnerável à carbonatação. Este artigo explora uma metodologia promissora para a mitigação deste problema, que consiste na adição criteriosa de cal hidratada na composição do betão, realçando as sinergias dos seus componentes, para que este resista à carbonatação. Propõe -se, assim, fabricar um betão de elevado volume de cinzas volantes, com pouco cimento mas de elevada vida útil: um betão eficiente e sustentável. Neste contexto, desenvolveu-se uma campanha experimental com o objetivo de caracterizar o comportamento de betão de elevado volume de cinzas volantes, nomeadamente no que diz respeito à sua durabilidade. Os resultados serão apresentados e devidamente analisados

Efeito da carbonatação na difusão de cloretos através de misturas cimentícias com cinzas volantes

A incorporação de resíduos e subprodutos industriais aos betões tem sido uma das alternativas encontradas para tentar reduzir o consumo mundial de cimento e, consequentemente, torná-lo um produto mais eco-eficiente. Neste sentido, e sabendo que um betão durável também promove a eco-eficiência do material, o trabalho em causa investiga a durabilidade de materiais cimentícios com incorporação de cinzas volantes (CV) face à ação combinada da penetração de cloretos e da carbonatação. O aumento da quantidade de aluminatos proporcionada pela substituição de cimento por CV é um dos fatores que conduz a diminuição da quantidade de cloretos livres uma vez que os aluminatos reagem quimicamente com os cloretos. Por outro lado, devido às reações pozolânicas, inerentes à utilização de CV, o Ca(OH)2 presente na matriz é consumido, facilitando o avanço da frente de carbonatação. Muito pouco é conhecido acerca da ação combinada da carbonatação e da penetração de cloretos em materiais cimentícios contendo CV. Para este estudo, foram moldados provetes em argamassa contendo 20 e 40% de CV em substituição da massa de cimento CEM I 42.5R e relação água/ligante 0,50. Após 90 dias de cura e 15 dias de précondicionamento, os provetes foram introduzidos na câmara de carbonatação (20ºC, 55% de HR e 4% de CO2) onde permaneceram por 15, 60 e 90 dias. Terminado o período de carbonatação, os provetes foram submetidos ao ensaio de difusão de cloretos por migração com base na especificação LNEC E 463. Os resultados sugerem que as argamassas carbonatadas apresentam um coeficiente de difusão de cloretos diferente do alcançado para as argamassas que não sofreram carbonatação, independentemente da percentagem de CV. Esta diferença deve ser tida em consideração, principalmente, em ambientes sujeitos à ação dos cloretos e, ao mesmo tempo, fortemente contaminados com CO2