Eco-efficient concretes - An opportunity to value CDW powder

Authors

  • Melissa Pastorini Proença UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ, e INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ
  • Dayana Ruth Oliveira Pruner UNIVERSIDADE FEDERAL DA INTEGRAÇÃO LATINO-AMERICANA
  • Mayara Pastorini Proença UNIVERSIDADE FEDERAL DA INTEGRAÇÃO LATINO-AMERICANA
  • Miguel Batista de Oliveira INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ
  • Kathleen Dall Bello de Souza Risson UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ, e INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ
  • Edna Possan UNIVERSIDADE FEDERAL DA INTEGRAÇÃO LATINO-AMERICANA
  • Nayara Soares Klein UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

DOI:

https://doi.org/10.46421/entac.v20i1.6394

Keywords:

Eco-efficient cement, Particle packaging, Pozzolana, Recycled powder, Low carbon

Abstract

The use of supplementary cementitious materials (SCM) combined with optimized dosing techniques are essential for fulfilling the premises of decarbonization and dematerialization, essential for sustainable development in civil construction. In view of this, this study aims to analyze the potential for incorporating powders (Φ< 0.15mm) of construction and demolition waste (CDW), originating from concrete and red ceramic waste, into concrete. The physicochemical characteristics and reactivity of the powders were analyzed, being used as SCM in dosing using the Alfred method of concretes (CV - concrete with red ceramic powder) and (CC - concrete with concrete powder), analyzed for resistance. Compression at 28 and 180 days, electrical resistivity at 28 days, and their environmental indicators. It was found that ceramic powder acts as pozzolan, and concrete powder has a filler effect. Binder consumption was reduced by 43% and 33%, with carbon indices of 5.85 and 6.73 kg of CO2/m³/MPa (for CV and CC), and resistance class C50 at 28 days, with risk negligible corrosion, highlighting the potential for incorporation of CDW powders, combined with the optimization of dosage, made high-performance concrete possible.

Author Biographies

Melissa Pastorini Proença, UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ, e INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ

Doutoranda em Engenharia Civil pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPGEC) da Universidade Federal do Paraná. Mestre em Engenharia Civil pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPGECI) da Universidade Federal da Integração Latino-Americana na linha de pesquisa de Materiais e Ecoeficiência. Pós-graduanda em Engenharia de Segurança do Trabalho (Previsão de Conclusão em julho de 2024), Pós-graduanda em Docência da Educação Profissional e Tecnológica, e Pós-graduada em BIM e Projetos Aplicados à Construção Civil. Formada em Engenharia Civil pelo Centro Universitário Dinâmica das Cataratas (2021), Técnica em edificações pelo Instituto Federal do Paraná - Campus Foz do Iguaçu (2014). Atua como laboratorista - Área: Edificações no Instituto Federal do Paraná - Campus Foz do Iguaçu.

Dayana Ruth Oliveira Pruner, UNIVERSIDADE FEDERAL DA INTEGRAÇÃO LATINO-AMERICANA

Pós-Doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal da Integração Latino-Americana (UNILA). Doutora em Engenharia Civil (2022) pela Universidade Federal do Paraná (UFPR) e Mestra (2016) pela mesma universidade. Engenheira de Segurança do Trabalho (2021) e Especialista no MBA em Gerenciamento de Projetos (2020) pelo Centro Universitário Dinâmica das Cataratas (UDC). Especialista em Avaliações e Perícias (2023) pelo Instituto IDD. Graduada em Engenharia Civil UFPR (2013). É Professora do Centro Universitário Dinâmica das Cataratas (UDC) nos cursos de Graduação em Engenharia Civil e Pós-graduação MBA Gestão e Execução de Obras e Serviços de Engenharia e MBA em Arquitetura de Interiores e Lighting Design. Foi coordenadora do curso de graduação em Engenharia Civil da Faculdade Educacional de Medianeira (UDC Medianeira) de 2019 a 2023. Atua na área de construção civil, construção enxuta, logística nos canteiros de obras, gestão e gerenciamento de obras, segurança do trabalho, patologia das construções, materiais de construção e meio ambiente. Tem experiência na área de Engenharia, com ênfase em durabilidade, empacotamento de partículas, emissões e captura de CO2, aproveitamento de resíduos sólidos, sustentabilidade da construção, economia circular e ecoeficiência.

Mayara Pastorini Proença, UNIVERSIDADE FEDERAL DA INTEGRAÇÃO LATINO-AMERICANA

Mestranda PPGECI - Unila. Especialista em Tecnologia do concreto pelo Instituto IDD (2024). Graduação em engenharia civil pelo Centro Universitário Dinâmica das Cataratas (2021). Engenheira civil na Mineromix Concretos.

Miguel Batista de Oliveira, INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ

Possui GRADUAÇÃO em ENGENHARIA CIVIL pela Faculdade Dinâmica das Cataratas (2006) e MESTRADO em ENGENHARIA CIVIL pela Universidade Estadual de Maringá (2016), especialização em MBA EM PLATAFORMA BIM - MODELAGEM 3D, PLANEJAMENTO 4D E ORÇAMENTO 5D / 6D / 7D pelo Instituto de pós graduação INBEC em 2020. Atualmente é docente do Instituto Federal do Paraná Campus Foz do Iguaçu. Tem experiência na área de Engenharia Civil, com ênfase em Estruturas de Concreto, atuando principalmente no seguinte tema: edificações. Coordenador do projeto de extensão EMPEC (Escritório Modelo para Gestão BIM em Projetos, Edificações e Construções) e líder dos grupos de pesquisa GPADES e EMPEC (IFPR - Campus Foz do Iguaçu) e integrante do grupo GDACE (UEM). Atualmente desenvolve pesquisas na área de tecnologia da informação para construção civil e engenharia e BIM.

Kathleen Dall Bello de Souza Risson, UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ, e INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ

Doutoranda do Programa de Pós-Graduação Interdisciplinar em Energia e Sustentabilidade da Universidade Federal da Integração Latino-Americana (UNILA). Mestre em Engenharia de Edificações e Saneamento pela Universidade Estadual de Londrina UEL (2017) com pesquisa desenvolvida na área de concretos permeáveis. Especialista em Gerenciamento e Execução de Obras pelo Centro Universitário Dinâmica das Cataratas UDC (2014). Especialista em Docência da Educação pelo Instituto Federal do Paraná IFPR (2016). Graduada em Engenharia Civil pela Faculdade Dinâmica das Cataratas UDC (2011). Pesquisadora na área de Materiais, componentes e sistemas construtivos sustentáveis, com ênfase em: Concretos Permeáveis; Aproveitamento de resíduos como material cimentício suplementar e estudo de técnicas para a Captura, utilização e armazenamento de carbono em materiais cimentícios.

Edna Possan, UNIVERSIDADE FEDERAL DA INTEGRAÇÃO LATINO-AMERICANA

Doutora em Engenharia Civil (2010) pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), com mestrado (2004) pela mesma universidade. Graduada em Engenharia Civil (2003) pela Universidade Estadual do Oeste do Paraná (UNIOESTE). Professora Associada Nível 4 na Universidade Federal da Integração Latino Americana (UNILA) e coordenadora do LADEMA (Laboratório de Desempenho, Estruturas e Materiais). Diretora do Centro Interdisciplinar de Tecnologia e Infraestrutura (ILATIT-UNILA) de 2013 a 2015 e Coordenadora do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPGECI) de 03/2020 a 02/2024. Pesquisadora do CEASB/PTI (Centro de Estudos Avançados em Segurança de Barragens/Parque Tecnológico de Itaipu), de 2009 a 2021. Professora no Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Ambientais na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) de 2012 a 2020. É membro fundador da Associação Latino-Americana de Patologia da Construção (ALCONPAT Brasil). Sócia da Associação Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído (ANTAC), do Instituto Brasileiro do Concreto (IBRACON), da Asociación Latinoamericana de Control de Calidad, Patología y Recuperación de la Construcción (ALCONPAT Internacional). É membro do comitê técnico da ABNT - CE 18:300.06 - Comissão de Estudo de Durabilidade do Concreto, deste 2009. Conselheira do CREA-PR (2020 a 2025). Diretora de relações interinstitucionais (2018-2020) e Vice-presidente da ANTAC (2020-2022). Editora associada da Revista RIEM (2020-atual), Co-Editor in Chief da revista Alconpat (2021-2023), Membro de corpo editorial do Journal of Building Pathology and Rehabilitation (2021- atual) e Case Studies in Construction Materials (2023 - atual). Avaliadora de periódicos como Materials Research, Construction and building materials, Journal of cleaner production, Neural Computing and Applications, Cement and concrete composites, Journal of Building Engineering, entre outros. Recebeu diversos prêmios, dentre eles Embaixador do Iguaçu Iguassu Convention, Joven Investigador Destacado o Productivo - ALCONPAT Internacional e Educador do ano - CREAPR. Atua na área de patologia das construções, materiais de construção e meio ambiente. Tem experiência na área de Engenharia, com ênfase em durabilidade, previsão de vida útil probabilística e determinística, emissões e captura de CO2, aproveitamento de resíduos sólidos, sustentabilidade da construção economia circular e ecoeficiência (ODS 11 e 12). Também atua na temática de women in science (ODS 5).

Nayara Soares Klein, UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

Graduada em Engenharia Civil pela Universidade Estadual de Maringá - UEM (2004), Mestre em Engenharia de Edificações e Saneamento pela Universidade Estadual de Londrina - UEL (2008) e Doutora em Engenharia da Construção pela Universitat Politècnica de Catalunya - UPC Barcelona Tech (2012). Atualmente é Professora da Universidade Federal do Paraná - UFPR, na área de Construção Civil, onde leciona desde 2013. Tem experiência na área de Engenharia Civil, com ênfase em Materiais e Componentes de Construção, atuando principalmente nos seguintes temas: dosagem de concretos, concretos especiais e empacotamento de partículas.

References

S. Sbahieh, M. Zaher Serdar, S.G. Al-Ghamdi, Decarbonization strategies of building materials used in the construction industry, Mater. Today Proc. (2023). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.08.346.

S. Barbhuiya, F. Kanavaris, B.B. Das, M. Idrees, Decarbonising cement and concrete production: Strategies, challenges and pathways for sustainable development, J. Build. Eng. 86 (2024) 108861. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.108861.

A. Adesina, Recent advances in the concrete industry to reduce its carbon dioxide emissions, Environ. Challenges. 1 (2020) 100004. https://doi.org/10.1016/j.envc.2020.100004.

B. Lu, C. Shi, J. Zhang, J. Wang, Effects of carbonated hardened cement paste powder on hydration and microstructure of Portland cement, Constr. Build. Mater. 186 (2018) 699–708. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.07.159.

M.R. Munaro, S.F. Tavares, A review on barriers, drivers, and stakeholders towards the circular economy: The construction sector perspective, Clean. Responsible Consum. 8 (2023) 100107. https://doi.org/10.1016/J.CLRC.2023.100107.

L. Lima, E. Trindade, L. Alencar, M. Alencar, L. Silva, Sustainability in the construction industry: A systematic review of the literature, J. Clean. Prod. 289 (2021) 125730. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125730.

I. Lande, R.T. Terje, Comprehensive sustainability strategy for the emerging ultra-high-performance concrete (UHPC) industry, Clean. Mater. 8 (2023) 100183. https://doi.org/10.1016/j.clema.2023.100183.

GCCA, Concrete Future - Roadmap to Net Zero, Glob. Cem. Concr. Assoc. (2021) 1–48.

Cembureau, Activity Report-2020, Brussels, 2021. https://doi.org/10.1007/BF02634808.

K.L. Scrivener, V.M. John, E.M. Gartner, Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry, Cem. Concr. Res. 114 (2018) 2–26. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.03.015.

P.J.M. MEHTA, P. K.; MONTEIRO, Concreto Microestrutura, Propriedade e Materiais, 2a edição, 2014.

G. Habert, S.A. Miller, V.M. John, J.L. Provis, A. Favier, A. Horvath, K.L. Scrivener, Environmental impacts and decarbonization strategies in the cement and concrete industries, Nat. Rev. Earth Environ. 1 (2020) 559–573. https://doi.org/10.1038/s43017-020-0093-3.

H.M. Hamada, B.A. Tayeh, A. Al-Attar, F.M. Yahaya, K. Muthusamy, A.M. Humada, The present state of the use of eggshell powder in concrete: A review, J. Build. Eng. 32 (2020) 101583. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101583.

WBCSD, IEA, Low Carbon Technology Roadmap for the Indian Cement Sector: Status Review 2018, (2018) 52. https://www.wbcsd.org/Sector-Projects/Cement-Sustainability-Initiative/Resources/Low-Carbon-Technology-Roadmap-for-the-Indian-Cement-Sector-Status-Review-2018.

SNIC e ABCP, Roadmap Tecnológico do Cimento, (2019).

Z. Cao, E. Masanet, A. Tiwari, S. Akolawala, Decarbonizing Concrete Deep decarbonization pathways for the cement and, Ind. Sustain. Anal. Lab. Northwest. Univ. (2021).

J. Skibsted, R. Snellings, Reactivity of supplementary cementitious materials (SCMs) in cement blends, Cem. Concr. Res. 124 (2019) 105799. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.105799.

I.Y. Hakeem, F. Althoey, A. Hosen, Mechanical and durability performance of ultra-high-performance concrete incorporating SCMs, Constr. Build. Mater. 359 (2022) 129430. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129430.

M. Schneider, V. Hoenig, J. Ruppert, J. Rickert, The cement plant of tomorrow, Cem. Concr. Res. 173 (2023) 107290. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2023.107290.

R. Snellings, P. Suraneni, J. Skibsted, Future and emerging supplementary cementitious materials, Cem. Concr. Res. 171 (2023) 107199. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2023.107199.

T.C.F. Oliveira, B.G.S. Dezen, E. Possan, Use of concrete fine fraction waste as a replacement of Portland cement, J. Clean. Prod. 273 (2020) 123126. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123126.

D.R.B. Oliveira, M.P. Proença, J. Marques Filho, E. Possan, Mixed construction and demolition powder as a filler to Portland cement: study on packaged pastes, Ambient. Construído. 24 (2024). https://doi.org/10.1590/s1678-86212024000100715.

D. Ruth Bola Oliveira, G. Leite, E. Possan, J. Marques Filho, Concrete powder waste as a substitution for Portland cement for environment-friendly cement production, Constr. Build. Mater. 397 (2023) 132382. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.132382.

M.U. Hossain, Y. Dong, S.T. Ng, Influence of supplementary cementitious materials in sustainability performance of concrete industry: A case study in Hong Kong, Case Stud. Constr. Mater. 15 (2021) e00659. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2021.e00659.

S. Yousuf, L.F.M. Sanchez, S.A. Shammeh, The use of particle packing models (PPMs) to design structural low cement concrete as an alternative for construction industry, J. Build. Eng. 25 (2019) 100815. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.100815.

B.L. Damineli, F.M. Kemeid, P.S. Aguiar, V.M. John, Cement & Concrete Composites Measuring the eco-efficiency of cement use, Cem. Concr. Compos. 32 (2010) 555–562. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2010.07.009.

N.S. Klein, L.A. Lenz, W. Mazer, Influence of the granular skeleton packing density on the static elastic modulus of conventional concretes, Constr. Build. Mater. 242 (2020) 118086. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.118086.

D. Kantro, Influence of Water-Reducing Admixtures on Properties of Cement Paste—A Miniature Slump Test, Cem. Concr. Aggregates. 2 (1980) 95–102. https://doi.org/10.1520/cca10190j.

ABNT, NBR 16605: Cimento Portland e outros materiais em pó — Determinação da massa específica. Rio de Janeiro, 2017.

ABNT, NBR 5751: Materiais pozolânicos ― Determinação da atividade pozolânica com cal aos sete dias. Rio de Janeiro, 2015.

ABNT, NBR 5752: Materiais pozolânicos — Determinação do índice de desempenho com cimento Portland aos 28 dias. Rio de Janeiro, 2014.

ABNT, NBR 15895: Materiais pozolânicos – Determinação do teor de hidróxido de cálcio fi xado – Método Chapelle modifi cado. Rio de Janeiro, 2010.

J.E. Funk, D.R. Dinger, Predictive Process Control of Crowded Particulate Suspensions, 1994. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-3118-0.

R. Yu, P. Spiesz, H.J.H. Brouwers, Mix design and properties assessment of Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC), Cem. Concr. Res. 56 (2014) 29–39. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2013.11.002.

B.L. Damineli, Conceitos para formulação de concreto com baixo consumo de ligantes: controle reológico, empacotamento e dispersão de partículas, Universidade de São Paulo, 2013.

ABNT, NBR 5738: Concreto — Procedimento para moldagem e cura de corpos de prova. Rio de Janeiro, 2015.

ABNT, NBR 16697: Cimento Portland - Requisitos. Rio de Janeiro, 2018.

AENOR, UNE 83988-2: durabilidad del hormigón. Métodos de ensayo: determinación de la resistividad eléctrica: parte 2: método de las cuatro puntas o de Wenner, (2014).

D.R.B. OLIVEIRA, Aproveitamento Da Fração Fina De Resíduo De Concreto Como Substituto Ao Cimento Portland, Tese de Doutorado - Universidade Federal do Paraná, 2022.

Y. Wu, C. Liu, H. Liu, H. Hu, C. He, L. Song, W. Huang, Pore structure and durability of green concrete containing recycled powder and recycled coarse aggregate, J. Build. Eng. 53 (2022) 1–6. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104584.

J. Hoppe Filho, C.A.O. Pires, O.D. Leite, M.R. Garcez, M.H.F. Medeiros, Red ceramic waste as supplementary cementitious material: Microstructure and mechanical properties, Constr. Build. Mater. 296 (2021) 123653. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.123653.

E. Navrátilová, P. Rovnaníková, Pozzolanic properties of brick powders and their effect on the properties of modified lime mortars, Constr. Build. Mater. 120 (2016) 530–539. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.05.062.

S. Li, J. Gao, Q. Li, X. Zhao, Investigation of using recycled powder from the preparation of recycled aggregate as a supplementary cementitious material, Constr. Build. Mater. 267 (2021) 120976. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120976.

F. Brekailo, E. Pereira, E. Pereira, M.M. Farias, R.A. Medeiros-Junior, Red ceramic and concrete waste as replacement of portland cement: Microstructure aspect of eco-mortar in external sulfate attack, Clean. Mater. 3 (2022) 100034. https://doi.org/10.1016/J.CLEMA.2021.100034.

ABNT, NBR 12653: Materiais pozolânicos — Requisitos. Rio de Janeiro, 2014.

F. Brekailo, E. Pereira, E. Pereira, J.H. Filho, M.H.F. De Medeiros, Evaluation of the reactive potential of additions of red ceramic waste and comminuted concrete of CDW in cement matrix, Ceramica. 65 (2019) 351–358. https://doi.org/10.1590/0366-69132019653752552.

Z. Ge, Z. Gao, R. Sun, L. Zheng, Mix design of concrete with recycled clay-brick-powder using the orthogonal design method, Constr. Build. Mater. 31 (2012) 289–293. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.01.002.

J. Xiao, Z. Ma, T. Sui, A. Akbarnezhad, Z. Duan, Mechanical properties of concrete mixed with recycled powder produced from construction and demolition waste, J. Clean. Prod. 188 (2018) 720–731. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.03.277.

Z. Ma, M. Liu, Z. Duan, C. Liang, H. Wu, Effects of active waste powder obtained from C&D waste on the microproperties and water permeability of concrete, J. Clean. Prod. 257 (2020) 120518. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120518.

Y. Kim, Quality properties of self-consolidating concrete mixed with waste concrete powder, Constr. Build. Mater. 135 (2017) 177–185. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.12.174.

H.W. Song, V. Saraswathy, Corrosion monitoring of reinforced concrete structures - A review, Int. J. Electrochem. Sci. 2 (2007) 1–28. https://doi.org/10.1016/s1452-3981(23)17049-0.

P. Azarsa, R. Gupta, Electrical Resistivity of Concrete for Durability Evaluation: A Review, Adv. Mater. Sci. Eng. 2017 (2017). https://doi.org/10.1155/2017/8453095.

R.T. Rios, F. Lolli, L. Xie, Y. Xie, K.E. Kurtis, Screening candidate supplementary cementitious materials under standard and accelerated curing through time-series surface resistivity measurements and change-point detection, Cem. Concr. Res. 148 (2021) 6–11. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106538.

B. Cantero, M. Bravo, J. de Brito, I.F. Sáez del Bosque, C. Medina, Mechanical behaviour of structural concrete with ground recycled concrete cement and mixed recycled aggregate, J. Clean. Prod. 275 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122913.

L. Likes, A. Markandeya, M.M. Haider, D. Bollinger, J.S. McCloy, S. Nassiri, Recycled concrete and brick powders as supplements to Portland cement for more sustainable concrete, J. Clean. Prod. 364 (2022) 132651. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132651.

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Published

2024-10-07

How to Cite

PASTORINI PROENÇA, Melissa; OLIVEIRA PRUNER, Dayana Ruth; PASTORINI PROENÇA, Mayara; BATISTA DE OLIVEIRA, Miguel; DALL BELLO DE SOUZA RISSON, Kathleen; POSSAN, Edna; SOARES KLEIN, Nayara. Eco-efficient concretes - An opportunity to value CDW powder. In: NATIONAL MEETING OF BUILT ENVIRONMENT TECHNOLOGY, 20., 2024. Anais [...]. Porto Alegre: ANTAC, 2024. p. 1–16. DOI: 10.46421/entac.v20i1.6394. Disponível em: https://eventos.antac.org.br/index.php/entac/article/view/6394. Acesso em: 21 nov. 2024.

Issue

Vol. 20 (2024): XX ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO

Section

Resíduos

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