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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Fiel

d re

sults

Fiel

d re

sults

Fiel

d re

sults

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