Alkali activation of ceramic solid wastes to incorporate in non-structural panels

Abstract

Este estudo foi motivado principalmente pela necessidade cada vez mais urgente de desenvolver ligantes alternativos ao conhecido Cimento Portland Ordinário (OPC). Assim, o desenvolvimento de novos cimentos alcalinos, utilizando diferentes resíduos industriais, muitos dos quais ainda em grande parte inexplorados, é uma solução promissora para a construção civil. Em todo o mundo, os materiais cerâmicos são amplamente utilizados na construção, no entanto, 30% da produção total de cerâmica é transformada em resíduo e 45% dos resíduos de construção e demolição resultam de materiais cerâmicos. Neste contexto, o principal objetivo deste trabalho foi investigar o potencial de dois resíduos industriais abundantes e menos comuns em cimentos alcalinos: resíduos cerâmicos (RC) ‒ principal precursor ‒ e escória de forno panela (LFS) ‒ para correção de composição. Silicato de sódio (SS) foi utilizado como o principal ativador em cimentos alcalinos para incorporação em painéis não estruturais. Para atingir este objetivo foi inicialmente realizada uma ampla campanha experimental para determinar a melhor formulação. A mistura selecionada (75% CW + 25% LFS) foi reforçada com diferentes teores (0%, 0,5 % e 1% em volume) de fibras de poliacrilonitrila (PAN). Foram testadas duas condições de cura: temperatura de 70°C e 20°C com 60% HR. Estas misturas foram avaliadas quanto às suas propriedades físicas, mecânicas, mineralógicas e microestruturais, aos 14, 28 e 90 dias de cura. Os resultados mostraram que a solução mais adequada para a finalidade específica, ou seja, a execução de painéis não estruturais, foi o cimento alcalino ativado (AAc) curado à temperatura ambiente, contendo 1% de fibra de PAN. Posteriormente, foram desenvolvidas duas soluções de painéis sanduíche, onde cada uma era composta por uma fina camada de AAc e uma camada isolante mais espessa de espuma de poliestireno extrudido ou aglomerado de cortiça expandida. Os resultados do comportamento mecânico indicaram a viabilidade do fabrico destes painéis, embora existam diferenças claras entre as duas soluções propostas foram observadas. Os resultados também demonstram que a tecnologia de ativação alcalina aumenta a condutibilidade térmica do AAc. A caracterização térmica dos painéis evidência desempenhos promissores após comparação com os materiais e soluções de construção correntes. Finalmente, a avaliação de sustentabilidade revelou que os dois painéis sanduíche propostos eram as alternativas mais sustentáveis em comparação com as três tecnologias convencionais selecionadas, uma vez que melhor combina os fatores ambientais, funcionais e económicos.

This study was mostly motivated by the increasingly urgent need to develop alternative binders to the well-known Ordinary Portland Cement (OPC). In this way, the development of new alkali-activated materials, using different industrial by-products or wastes, many of which are still largely unexplored, is a promising solution for the construction industry. Worldwide, ceramic materials are extensively used in different types of construction, with a significant percentage ending up as a waste. Two significant numbers support this paradigm – approximately 30% of the total ceramic production is transformed in waste, and 45% of the construction and demolition waste result from ceramic materials. Thus, this study aimed to investigate the potential of two abundant and, at the same time, less common industrial wastes in alkaline cements: ceramic wastes (CW) ‒ as a main precursor, and ladle furnace slag (LFS) ‒ for composition correction. Sodium silicate (SS) was used as the main activator for the alkali activated cements that were incorporated in non-structural panels. To accomplish this objective, a comprehensive experimental campaign to determine the best blend composition was carried out, first. The selected mixture (75% CW + 25% LFS / SS-based) was reinforced using polyacrylonitrile (PAN) fibers with different content (0%, 0.5%, and 1% in volume). Moreover, two curing conditions were experimented, i.e., thermal curing under 70°C and 60% HR ± 5% and curing at ambient temperature (20°C and 60% HR ± 5%). Up to this point, all the mixtures were evaluated with respect to their physical, mechanical, mineralogical, and microstructure properties at 14, 28, and 90 curing days. Results showed that the most suitable solution for the specific purpose of its application, i.e., the manufacture of non-structural panels, was the alkali-activated cement (AAc) cured at ambient temperature containing 1% PAN fiber. Afterwards, two sandwich panel solutions were developed, each was composed of a thin layer of AAc and a thicker insulating layer of extruded polystyrene foam or expanded cork agglomerate. The results of the mechanical behavior indicated the feasibility of manufacturing these panels, although clear differences between the two proposed solutions were observed. Findings also suggested that the alkali-activation technology improves the thermal conductivity of the developed AAc. Thermal characterization of the two panels showed a promising performance when compared to currently available building materials. Furthermore, a Sustainability Assessment revealed that the two proposed half-sandwich panels were the most sustainable alternatives compared to the three selected conventional technologies since they combined the best the environmental, functional, and economic factors.