Sustainable development of cement-based materials: application to recycled aggregates concrete

12/19/2017

Uma breve revisão da literatura mostra que, ainda que a utilização de agregados reciclados de betão (ARB) e cinzas volantes (CV) esteja a aumentar no setor da construção em todo o mundo, a sua simultânea incorporação enquanto alternativas aos componentes tradicionais não é suficientemente estudada, tanto em termos ambientais como técnicos. De fato, estudos sobre misturas de betão com uma elevada e simultânea incorporação destes componentes são escassos e / ou não são suportados em termos de otimização de desempenho ambiental ou avaliação do risco. Assim, o presente estudo pretende analisar o desempenho de betões incorporando adições e agregados reciclados de betão (ARB). Considera-se essencial demonstrar a viabilidade da introdução de elevadas quantidades de cinzas volantes (CV) e de ARB, reduzindo os impactes ambientais (IA) associados ao processo de produção de betão e sem comprometer as suas propriedades mecânicas, de durabilidade e de longo prazo. Deste modo, foram produzidas três famílias de betão (com 0, 50 e 100% de ARB finos), sendo que, para cada uma, foram ainda consideradas duas taxas de substituição de ARB grossos (0 e 100%) e ainda três níveis de incorporação de cinzas volantes (0, 30 e 60%). Além disso, com o intuito de se analisar os efeitos da introdução de superplastificante (SP) e da variação da relação a/l, foram produzidas mais 28 misturas de betão mas com recurso a este adjuvante. A análise efectuada compreendeu a caracterização do betão no estado endurecido, sendo avaliado o comportamento mecânico, de durabilidade e de longo prazo. Foi também realizada uma análise do betão no estado fresco. Por ultimo, uma patente (PAT-109954 T, 2017) foi solicitada para as misturas mais promissoras. Terminada a análise do desempenho mecânico e de durabilidade das amassaduras, foi realizado um estudo de Avaliação do Ciclo de Vida (ACV). Para o efeito, foi recolhida uma extensa quantidade de informação, tanto em fontes nacionais como internacionais, abordando questões ambientais, económicas e de toxicidade associadas às matérias-primas utilizadas. Neste contexto, foi construída uma base de dados para caracterizar cada uma das amassaduras em termos de IA (através do software SimaPro) e em termos do seu desempenho económico. Finalmente, foram realizadas diversas análises, variando os constituintes utilizados no fabrico das amassaduras e comparando esses resultados com os obtidos pelo betão de referência. O objectivo foi identificar as principais diferenças em termos técnicos, ambientais e de desempenho económico e as causas correspondentes. Com este intuito, foi criado um novo método (método de decisão multicritério para optimização de betão - CONCRETop) que pretende ser capaz de analisar resultados experimentais e optimizar misturas de betão produzidas com materiais convencionais ou não convencionais. De acordo com este método, as misturas óptimas não têm que necessariamente obter a melhor classificação em todas as características. De facto, o desempenho é avaliado de uma forma global e tendo em conta um sistema de pesos, não se focando apenas num único aspecto. Portanto, o factor CONCRETop e os valores de limiar devem ser considerados para escolher a amassadura óptima. Os resultados mostram que, devido à reacção química entre as cinzas volantes e os agregados reciclados, é recomendável a utilização de CV na produção de betão com ARB, especialmente para percentagens de cinzas volantes mais elevadas do que o limite estipulado na norma europeia (EN 197-1, 2000) (55% por massa de cimento). Esta situação está relacionada com o facto de as cinzas volantes funcionarem como um ligante pozolânico em vez de um fíler. Este material é uma solução sustentável para a construção, uma vez que o IA das amassaduras feitas com incorporação de CV e ARB foi menor, em todas as categorias, do que o IA do betão de referência, com ou sem SP. Genericamente, em relacão aos efeitos individuais de CV e ARB no betão, a utilização de cinzas volantes em betão reciclado é aconselhável sob o ponto de vista mecânico, de durabilidade e de IA. As combinações óptimas em termos das propriedades do betão e de IA são atingidas incorporando quer ARB quer CV, e não fazendo uma incorporação individual dos mesmos. A brief review of the literature shows that, even though the demand for recycled concrete aggregates (RCA) and fly ash (FA) is raising in the construction sector worldwide, the simultaneous incorporation of these alternatives to traditional components is insufficiently studied, in environmental and technical terms. In fact, studies concerning concrete mixes with their simultaneous and high incorporation are missing and / or not supported in terms of environmental performance optimization or risk assessment. Therefore, this study presents the effects of using supplementary cementitious materials (SCM) and RCA in concrete, with emphasis on the ability of using high volumes of FA and RCA to reduce the environmental impacts (EI) of the concrete’s production process without jeopardizing most of its long-term mechanical and durability characteristics. Three mix families (0% fine RCA, 50% fine RCA and 100% fine RCA) were produced and, for each of these three families, two incorporation levels (0% and 100%) of coarse RCA were used with 0%, 30% and 60% of FA without superplasticizer (SP). In addition, in order to understand the effect of the w/b and admixture content, more than half of the mentioned concrete mixes were repeated using SP, resulting in 28 compositions. To characterize their properties, hardened concrete samples were tested for mechanical properties, and for durability properties, as well as long term behaviour. Each mix was also tested in fresh state. Finally, a patent (PAT-109954 T, 2017) was request for the most promising mixes. After assessing the durability and mechanical performance of the concrete mixes, a Life Cycle Assessment (LCA) study was completed. For that purpose, environmental, economic and toxicity information of the raw materials used was collected from national and international sources. After that, a database was built to characterize each of the concrete mixes in terms of their EI (by using SimaPro software) and of their economic performance. At the end, accurate analyses were performed on the results, by varying each of the concrete constituent’s content used in the mix, and comparing with the results obtained by assessing the reference concrete, in order to identify the main differences in terms of technical, environmental and economic performance and corresponding causes. To that purpose, a new method was created (multi-criteria decision method for concrete optimization CONCRETop) to analyse the experimental results and optimize concrete mixes made either with conventional or non-conventional materials. According to this method, the optimal mixes may not necessarily obtain the highest classification in all demanded characteristics. In fact, the performance is judged by applying weights to each characteristic, and not by the result in each single characteristic. Therefore, the CONCRETop factor and threshold values should be considered to choose the optimal mix. The results show that, due to the chemical reaction between FA and RCA, using FA in RCA concrete production is advisable, especially for percentages of FA higher than the European standard (EN 197-1, 2000) limit (55% by cement's mass), since some of the particles of FA work as a pozzolanic binder instead of a filler. This material is a sustainable solution for construction since the EI of the concrete mixes made with incorporation of both FA and RCA were lower in all categories than those of the reference concrete either with or without SP. Generally, relatively to the individual effects of FA and RCA in concrete, using FA in RCA concrete is advisable from the durability, mechanical and EI points of view. The optimum mixes in terms of concrete characteristics and EI are the ones made with incorporation of both RCA and FA rather than individual incorporation.

Authors in the community:

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  Rawaz Mohammed Saleem Kurda

  ist179917

Supervisors of this institution:

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  José Dinis Silvestre

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  Jorge Manuel Caliço Lopes de Brito

  ist12299

101569041

Doutoramento em Engenharia Civil

civil-engineering - Civil engineering

Keywords

• Concrete
• Fly ash
• Recycled concrete aggregates
• Life Cycle Assessment
• Optimization
• Agregados reciclados de betão
• Avaliação do ciclo de vida
• Betão
• Cinzas volantes
• optimização

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