Efeitos de processos de mistura prolongados nas propriedades frescas, endurecidas e duráveis ​​de sistemas de cimento incorporando cinzas volantes

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6091 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

As especificações que correspondem ao desempenho do sistema podem garantir a agregação de valor. A maioria das especificações para concreto pré-misturado trata de limites no tempo de descarga e contagens de rotações do caminhão-tambor. Esses limites foram desenvolvidos para concreto convencional. À medida que os usos de materiais de cimentação suplementares (SCMs) se tornam onipresentes, é importante determinar se essas especificações são aplicáveis ​​aos SCMs, ou seja, sistemas contendo cinzas volantes. Este trabalho apresenta resultados dos efeitos do tempo de mistura e da contagem de rotações do misturador nas características de pastas e argamassas de laboratório contendo 20% e 50% de cinzas volantes. Suas características avaliadas incluem concentrações de íons variantes no tempo, tempo de presa, fluxo, resistência à compressão, porosidade e coeficiente aparente de difusividade do cloreto. Os resultados indicam que, com o aumento do tempo de mistura e do número de revoluções do misturador, as misturas com a substituição de cinzas volantes apresentam características tanto frescas quanto endurecidas. Quando misturado por 60 min ou 25.505 revoluções, as resistências à compressão de 28 dias de misturas contendo 20% e 50% de cinza volante são 50% a 100% maiores do que o cimento puro. Sugere-se a adoção de cinzas volantes nos processos de mistura estendida de sistemas de cimento.

As cinzas volantes são um subproduto pozolânico do processo de combustão do carvão usado para gerar eletricidade. Atualmente, o processo de combustão do carvão responde por cerca de 50 a 55% da geração total de energia nos Estados Unidos1,2. Aproximadamente 75 por cento dos subprodutos desta operação são cinzas volantes3,4,5. Consequentemente, prevê-se que 500-550 milhões de toneladas de cinzas volantes sejam produzidas anualmente em escala global6,7. Muitos setores empregam cinzas volantes, incluindo as indústrias agrícola e de cimento e concreto. Verificou-se que o emprego de cinzas volantes nas indústrias de cimento e concreto melhora as características de desempenho dos produtos hidratados8,9. O principal uso de cinzas volantes para a produção de compósitos de concreto modernos, levando a novas soluções inovadoras neste campo, como nano materiais10, ligantes quaternários e ternários11,12,13 e sementes ativas14,15. As novas soluções inovadoras podem oferecer produtos de concreto customizados para diversas aplicações. No entanto, mais de 70 por cento das cinzas volantes coletadas de usinas de energia não são usadas, o que representa um sério desafio de descarte16,17. Usinas de energia movidas a carvão incorrem em gastos extras devido ao descarte de cinzas volantes. Estima-se que o custo anual seja de aproximadamente US$ 1,2 bilhão18. Portanto, são necessárias mais pesquisas e inovações que possam ampliar o uso de cinzas volantes, principalmente nos setores de cimento e concreto. Além de reduzir os custos de descarte, isso pode melhorar as características de desempenho das misturas de concreto.

O concreto é a segunda substância mais utilizada no mundo, depois da água19. Tem havido esforços significativos para limitar as emissões de CO2 dos setores de cimento e concreto devido a preocupações ambientais. No entanto, as emissões de CO2 desses negócios permanecem notavelmente altas e mais esforços são necessários. A American Coal Ash Association (ACAA)20 calculou que o uso de cinzas volantes como fonte de material de cimentação suplementar (SCM) no concreto pode economizar emissões de CO2 em 10 a 14 toneladas/ano somente nos EUA. A substituição parcial das cinzas volantes pode não apenas promover a sustentabilidade ao reduzir as emissões de CO2, mas também diminuir as despesas associadas à produção de concreto e ao descarte das cinzas volantes. As regras da Federal Highway Administration (FHWA) encorajam sistemas de concreto contendo cinzas volantes. Isso é especialmente verdadeiro quando o preço do concreto de cinza volante é comparável ou inferior ao do concreto de cimento portland (PCC)21. Portanto, nem todo cimento deve ser substituído por cinzas volantes em uma determinada mistura. Além dos benefícios ambientais e econômicos, reconhece-se que a substituição do cimento Portland (CP) por cinza volante melhora as propriedades frescas e o desempenho endurecido do produto hidratado. Como um material pozolânico, o hidróxido de cálcio (Ca(OH2)) pode reagir para produzir hidratos de silicato de cálcio que aumentam a resistência (CS-H). Esses hidratos resultam em uma zona de transição interfacial densificada (ITZ) e microestruturas de concreto melhoradas na interface da pasta de cimento e agregados22,23. Consequentemente, o desempenho dos sistemas de concreto que incorporam cinzas volantes pode ser superior ao dos sistemas de concreto convencionais, e isso pode incluir o concreto pré-misturado.