Post on 27-Jan-2019
04/02/16
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UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE ATIVAÇÃO ALCALINA DE RESÍDUOS NA INDÚSTRIA DA CONSTRUÇÃO
Tiago Miranda (1), Nuno Cristelo (2) (1) ISISE, Universidade do Minho (2) CQVR, Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Objetivo
Produção de ligantes alternativos, baseados na ativação alcalina de resíduos industriais, para substituição de ligantes convencionais, com vantagens mecânicas, ambientais e financeiras Duplo efeito:
• Redução de impactes ambientais relacionados com a produção de ligantes convencionais
• Reintrodução de resíduos na cadeia de valor
Precursores atuais
• Cinzas volantes de centrais termo-elétricas (Classe C ou F)
• Rejeitado mineiro • Resíduos Construção e Demolição • Escórias de Resíduos Sólidos Urbanos • Resíduos de produção de alumínio
Ativação alcalina
- Produção de uma matriz cimentícia através da copolimerização de componentes de sílica e alumina, quando matérias-primas ricas em aluminossilicatos são dissolvidas em elevado pH
- O geopolímero é essencialmente um polímero mineral 3D aluminossilicatado, formado por várias fases amorfas a semi-cristalinas (tetraedros SiO4 e AlO4, ligados alternadamente e partilhando todos os oxigénios)
- Os iões de cálcio são também libertados na solução, sendo que a sua proporção relativamente aos aluminossilicatos condiciona o tipo de gel formado: C-S-H / N-A-S-H
- O ativador consiste numa solução altamente alcalina, normalmente baseada em Na ou K, e simples (hidróxido ou silicato) ou composta (hidróxido+silicato)
- Investigação recente aponta para utilização de precursores constituídos por resíduos industriais
Ativação alcalina Ativação alcalina
- Os precursores aluminossilicatos reativos mais comuns são: o Cinzas volantes o Escórias de alto-forno
- É fundamental a desidroxilação prévia do precursor, para remoção dos iões hidroxilo (OH)- e transformação da estrutura cristalina em amorfa (alteração da coordenação do Al com oxigénio)
- Com o aumento significativo do pH, a elevada concentração de OH- facilita a quebra das ligações covalentes Si-O e Al-O do precursor
Com história térmica!
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Ativação alcalina
- Os catiões metálicos alcalinos (Na+ ou K+) (ativador) compensam o excesso de cargas negativas associado à alteração da coordenação do Al
- Os produtos resultantes acumulam e formam uma “sopa” de iões de elevada mobilidade, com consequente aglutinação e formação do gel
- Nucleação e precipitação das espécies Si e Al (e Na ou K do ativador) em torno dos núcleos, partilhando os oxigénios e formando ligações Si-O-Al e Si-O-Si
Ativação alcalina
O produto final é influenciado por vários fatores, entre os quais se destacam: - Composição do precursor (sobretudo rácio Si/Al) - Percentagem de massa vítrea no precursor - Composição do ativador (concentração NaOH) - Grau de polimerização - Concentração de iões de cálcio na solução - Temperatura e humidade de cura
Ativação alcalina
Propriedades da matriz endurecida: - Elevada resistência à compressão (até 50-60MPa
sem cura térmica) - Resistência a ataques ácidos - Estável até 800ºC - Reduzida permeabilidade - Elevada capacidade de contenção de metais
pesados
Ativação alcalina cinzas volantes (SEM-EDS)
Ativação alcalina cinzas volantes (SEM) Ativação alcalina cinzas volantes (SEM)
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Aplicações (Inclusão de rejeitados mineiros em aterros) o Pouca sílica e alumina
em termos de AA (25% no total, quando nas cinzas são normais 70% a 80%)
o Cálcio quase inexistente o Muito ferro o Muito enxofre
Dificilmente ativável!!!
Pirite!
90% Areia 10% Cinza
90% Rejeitado 10% Cinza
80% Rejeitado 20% Cinza
50% Areia 45% Rejeitado 5% Cinza
50% Areia 40% Rejeitado 10% Cinza
Aplicações (Melhoramento solos com colunas)
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Aplicações (Melhoramento solos com colunas V2.0)
Cement1(200kg/m3) Days €/day Lm €/lm kg €/kg Total(€)Equipment 88 320 28160
Qualifiedlabour 88 495 43560Diesel 88 156 13728
Titanbars 13720 27.50 377300Cement 776000 0.12 93120
Generalcharges 166760Total 722628
Flyash1(186kg/m3)(*) Days €/day Lm €/lm Kg €/kg Total(€)
Equipment 88 320 28160Qualifiedlabour 88 495 43560
Diesel 88 156 13728Titanbars 13720 27.50 377300
Flyash(***) 721680 0.06 43301Sodiumhydroxide 194000 0.60 116400
Sodiumsilicate 291000 0.35 101850Generalcharges 217290
Total 941588 Flyash2(186kg/m3)(**) Days €/day Lm €/lm Kg €/kg Total(€)
Equipment 88 320 28160Qualifiedlabour 88 495 43560
Diesel 88 156 13728Titanbars 13720 27.50 377300
Flyash(***) 721680 0.06 43301Sodiumhydroxide 194000 0.31 59170
Sodiumsilicate 291000 0.22 62856Generalcharges 188422
Total 816497
(*) Domestic retail price set
(**) International price set
(***) Average distance of 150km between supplier and site
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Aplicações (Fundações de pavimentos)
Admixtures
AlkaliacFvatedflyashesCement
Crushedaggregate
Soil
Crushedaggregate
Soil
Cylindricalspecimens PrismaFcspecimens
Compressiontests IndirecttracFontests ElasFcmodulus
Aplicações (Construção em terra)
q Construções em que a terra crua é o material de construção principal.
q Tipo de construção antigo (utilizado desde há 9000-10000 anos).
q Presente em praticamente todo o mundo.
q BTC
PATRIMÓNIOMUNDIALCONSTRUÍDOEMTERRA
GrandeMuralhadaChina(4000aC)
q Extensas secções construídas em taipa, muitas vezes forradas com pedras.
CONSTRUÇÃONOVAEMTERRA
Vantagens
q Baixo consumo de energia no fabrico e transporte do material (terra local).
q Reduzido impacto ambiental.
q Resistente ao fogo.
q Baixo custo do material (terra local).
q Elevada inércia térmica e bom desempenho acústico.
q Controlo da humidade do ar interior.
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CONSTRUÇÃONOVAEMTERRA
Desvantagens
q Falta de solos locais adequados à construção (exige transporte de solos adequados e/ou estabilização química do solo local).
q Comportamento mecânico inferior ao de materiais convencionais (ex: betão, alvenaria de tijolo cerâmico, etc.).
q Os custo de mão de obra pode ser elevado (Países desenvolvidos).
q Necessidade de manutenção mais frequente.
q Elevada vulnerabilidade à ação dos sismos e da chuva.
q Falta de regulamentação adequada na maioria dos países.
CONSTRUÇÃONOVAEMTERRA
Materiaissustentáveis
q Estabilização com ativação alcalina de cinzas volantes.
Terra
MaterialaFvável(cinzasvolantes)
AFvadorGeopolímero
Terraestabilizada
q Elevada resistência mecânica.
q Elevada durabilidade.
q O material final pode incorporar 100% resíduo.
q Caracterização mecânica
q Caracterização funcional
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INVESTIGAÇÃONAUMINHO
Nestemomento…q 1700 BTC produzidos
Conclusões
- A ativação alcalina de resíduos apresenta inequivocamente potencial para substituição de ligantes convencionais
- Existe claramente uma grande margem de evolução da técnica, não só no que respeita aos materiais-base já testados, mas também no que respeita à incorporação de novos resíduos
- Necessidade de equipas multi-disciplinares - Essencial o acompanhamento por parte de
parceiros industriais