The Potential of Grinding in Increasing the Reactivity of Bottom Ash for use as SCM

Authors

  • José Andrade Neto UDESC
  • Lismari Hack UDESC
  • Ana Paula Kirchheim UFRGS
  • Erich David Martinez Rodríguez UFSM
  • Paulo Ricardo de Matos UDESC

DOI:

https://doi.org/10.46421/entac.v20i1.6042

Keywords:

Bottom Ash, Fly Ash, Portland Cement, Supplementary Cementitious Materials, Grinding

Abstract

Reducing CO2 emissions from the cement industry is crucial, and a key strategy involves lowering the clinker factor by increasing the content of supplementary cementitious materials (SCMs) in cement. Currently, blast furnace slag and fly ash (FA) are the main SCMs used, but their quantities are insufficient to meet climate targets in the coming decades. Therefore, it is necessary to seek alternative sources of SCMs. Bottom ash (BA), generated in thermoelectric plants and currently disposed of in industrial landfills in Brazil, emerges as a promising alternative. This study investigates the impact of grinding on the reactivity of BA. BA was ground in a ball mill (380 rpm) for different periods (10 to 60 minutes) and its reactivity was evaluated in comparison to FA using the R³ method with isothermal calorimetry. The results show an inverse linear relationship between particle diameter and BA reactivity. After 20 minutes of grinding, BA achieved the reactivity of FA, surpassing it with grinding times of 30 to 60 minutes. Thus, considering its chemical composition and reactivity, the use of bottom ash as a supplementary cementitious material is promising.

Author Biographies

José Andrade Neto, UDESC

Professor Assistente do Departamento de Arquitetura e Urbanismo da Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC. Coordenador do Laboratório de Materiais e Técnicas Construtivas (LMTC) da UDESC/CERES. Possui graduação (2018) em Engenheira Civil pela Universidade Federal da Bahia - UFBA. Possui Mestrado (2021) e é Doutorando (em andamento) em Engenharia Civil: Construção e Infraestrutura pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Construção e Infraestrutura (PPGCI) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Tem experiência com produção de clínquer e de cimento, argamassas de revestimento e concretos. Realiza pesquisas na área de Materiais de Construção Civil, atualmente com foco em: (i) Mineralogia do clínquer Portland; (ii) Ligantes alternativos (LC, CSAB, geopolímero); (iii) Reologia de materiais cimentícios; (iv) Durabilidade de materiais cimentícios. índice h:10 (Scopus) / 13 (Google Scholar. SCOPUS: scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57201480399

Lismari Hack, UDESC

Aluna de graduação de engenharia civil da UDESC.

Ana Paula Kirchheim, UFRGS

possui graduação em Engenharia Civil pela Universidade de Passo Fundo (2000), mestrado (2003) e doutorado no PPGEC da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2008), com estágio de doutorado no exterior no Department of Environmental and Civil Engineering - University of California at Berkeley (2005 - 2006), sob orientação do Professor Paulo Monteiro e Pós-doutorado(PNPD-CAPES), no período de 2008-2010 pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Atualmente é Professor Associado III no Departamento de Eng. Civil e Permanente no Programa de Pós-Graduação em Eng. Civil: Construção e Infraestrutura (PPGCI-NORIE), orientando mestrados e doutorados da UFRGS. Participou como membro da Comissão do PPGCI e membro do Colegiado do Departamento de Engenharia Civil em diversas gestões. Mantém forte intercâmbio técnico-científico com outras instituições do Rio Grande do Sul (UFSM, IMED, UNISINOS), de outros estados (USP, UFP, UPBA, entre outras) e do exterior (Inglaterra (Univ. Sheffield), Estados Unidos (Univ. Califórnia, Berkeley e Universidade do Texas, Austin), França (IFFSTAR, lEcole des Mines dAlès), Austrália (Univ. de Queensland) e Espanha (UPC-Barcelona e Univ. De Malaga).Tem experiência na área de Engenharia Civil, com ênfase em Materiais e Componentes de Construção, atuando principalmente nos seguintes temas: química do cimento Portland e alternativos, aproveitamento de resíduos na produção de novos materiais inovadores, técnicas de análise da micro e nanoestrutura de materiais cimentícios, tecnologia e durabilidade de concretos, entre outros.

Erich David Martinez Rodríguez, UFSM

Professor Adjunto na Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) no Departamento de Estruturas e Construção Civil (DECC). Tem pós-doutorado pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul, UFRGS (Porto Alegre, Brasil) doutorado em Engenharia pela Universidade Politécnica de Valência (UPV), Espanha (convalidado pela UFRGS), um mestrado na engenharia do concreto (Espanha) e um mestrado em Engenharia de Materiais (Colômbia). Realizou uma parte da pesquisa experimental do doutorado na Universidade de Melbourne (Austrália) e uma estancia na Universidade de Sheffield (Reino Unido). Trabalha na avaliação detalhada da estrutura de cimentos e ligantes alternativos, assim como da correlação entre a estrutura e o desempenho. Tem experiência no uso de diferentes técnicas de caracterização multi-escala de materiais de construção, e sobre o desempenho de materiais cementantes quando são expostos a ambientes agressivos. Participou em programas de graduação e pós-graduação em diferentes instituições, assim como a co-orientação de alunos de mestrado e doutorado (Espanha, Colômbia e Brasil). Professor permanente, vice-coordenador do programa de Pós-graduação de Engenharia Civil (PPGEC) e líder do grupo de pesquisa GEMASC (https://www.gemasc.org) do Centro de Tecnologia da UFSM. Segundo a base Scopus, participou em trabalhos de mais de 50 artigos científicos com mais de 2.500 citações.

Paulo Ricardo de Matos, UDESC

Possui graduação (2013), doutorado (2019), e pós-doutorado (2021) em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). É Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC) e Professor Permanente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da UDESC. Foi Professor Adjunto da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) em 2021-2023. É Editor Associado dos periódicos Journal of Materials in Civil Engineering (ASCE) e Applied Rheology (De Gruyter). Membro do RILEM Technical Committee 303-PFC: Performance requirements and testing of fresh printable cement-based materials. Membro da American Chemical Society (ACS). Revisou mais de 200 artigos de 40 periódicos incluindo Cement and Concrete Research e Cement and Concrete Composites (Elsevier), Materials and Structures e Scientific Reports (Springer Nature), RSC Advances (RSC), Sustainable Chemistry Engineering (ACS), e de eventos científicos. Usuário do LNLS/Sirius (linhas de luz EMA e MOGNO) e revisor de propostas das linhas PAINEIRA, EMA, MOGNO e CARNAUBA. Coordena projetos de pesquisa financiados pelo CNPq, FAPESC e FAPERGS. Coordena o NIMMA - Núcleo de Inovação em Materiais e Manufatura Avançada, e o LICon - Laboratório de Inovação na Construção (CCT/UDESC). Tem experiência com execução de elementos de concreto massa, concreto autoadensável e elementos pré-fabricados de concreto. Realiza pesquisas na área de Materiais de Construção Civil, atualmente com ênfase em: (i) produção e caracterização multiescalar de ligantes Portland e alternativos; (ii) impressão 3D de compósitos cimentícios; (iii) desenvolvimento de compósitos cimentícios com propriedades especiais; (iv) difração de raios X in-situ e de pó aplicadas à materiais cimentícios. Índice h: 22 (Scopus) / 25 (Google Scholar).

References

SINGH, N.; SHEHNAZDEEP; BHARDWAJ, A. Reviewing the role of coal bottom ash as an alternative of cement. Construction and Building Materials, v. 233, 2020.

KURAMA, H.; KAYA, M. Usage of coal combustion bottom ash in concrete mixture. Construction and Building Materials, v. 22, p. 1922-1928, 2008. DOI: :10.1016/j.conbuildmat.2007.07.008.

LE PING, K. K.; CHEAH, C. B.; LIEW, J. J.; SIDDIQUE, R.; TANGCHIRAPAT, W.; JOHARI, M. A. B. M. Coal bottom ash as constituent binder and aggregate replacement in cementitious and geopolymer composites: A review. Journal of Building Engineering, v. 52, 104369, jul 2022. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.104369

ORUJI, S.; BRAKE, N.A .A; NALLURI, L.; GUDURU, R. K. Strength activity and microstructure of blended ultra-fine coal bottom ash-cement mortar. Construction and Building Materials, v.153, p. 317-326, jul 2017. 10.1016/j.conbuildmat.2017.07.088

ANKUR, N.; SINGH, N. Performance of cement mortars and concretes containing coal bottom ash: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 149, 111361, out. 2021. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111361.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM C1897-20: Standard Test Methods for Measuring the Reactivity of Supplementary Cementitious Materials by Isothermal Calorimetry and Bound Water Measurements. West Conshohocken, 2020.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12653: Materiais pozolânicos - Requisitos. Rio de Janeiro, 2015.

HOWER, J.; GROPPO, J.; GRAHAM, U.; WARD, C.; KOSTOVA, I.; MAROTO-VALER, M.; DAI, S. Coal-derived unburned carbons in fly ash: A review. International Journal of Coal Geology. v. 179, p. 11-27, jun 2017. DOI: 10.1016/j.coal.2017.05.007.

LONDONO-ZULUAGA, D.; et al. Report of RILEM TC 267-TRM phase 3: validation of the R3 reactivity test across a wide range of materials. Materials and Structure, v. 55, 142, mai 2022.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5752: Materiais pozolânicos – Determinação do índice de desempenho com cimento Portland aos 28 dias. Rio de Janeiro, 2014.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5751: Materiais pozolânicos – Determinação do índice de desempenho com cal aos sete dias. Rio de Janeiro, 2015

Published

2024-10-07

How to Cite

ANDRADE NETO, José; HACK, Lismari; KIRCHHEIM, Ana Paula; MARTINEZ RODRÍGUEZ, Erich David; DE MATOS, Paulo Ricardo. The Potential of Grinding in Increasing the Reactivity of Bottom Ash for use as SCM. In: NATIONAL MEETING OF BUILT ENVIRONMENT TECHNOLOGY, 20., 2024. Anais [...]. Porto Alegre: ANTAC, 2024. DOI: 10.46421/entac.v20i1.6042. Disponível em: https://eventos.antac.org.br/index.php/entac/article/view/6042. Acesso em: 23 nov. 2024.

Similar Articles

<< < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.