Feasibility of steel slag as binder and aggregate in alkali-activated materials

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dc.contributor.advisorBorges, Paulo Henrique Ribeiro
dc.contributor.advisor-coGarcia, Carlos Thomas
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/5399317473703342
dc.contributor.authorNunes, Vitor Alencar
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/5525081275110037
dc.contributor.refereeBorges, Paulo Henrique Ribeiro
dc.contributor.refereeGarcia, Carlos Thomas
dc.contributor.refereeLudvig, Peter
dc.contributor.refereeGomes, João Paulo Castro
dc.contributor.refereeBlom, Johan
dc.contributor.refereeAghajanian Sabbagh, Ali
dc.date.accessioned2025-03-17T11:14:24Z
dc.date.available2025-03-17T11:14:24Z
dc.date.issued2023-10-30
dc.description.abstractSteel slag (SS) is a solid waste generated during the steelmaking process, with annual generation of 270 million tons of SS worldwide. SS can be reused as an alternative raw material in several applications due to its chemical composition, mechanical and physical properties: in agriculture, soil stabilization, road construction and other building materials. However, the recovery rate for SS varies from 20 to 98%, depending on the country, which leads to an excessive stockpiling causing environmental harm and financial liability. So far, considerable quantities of SS are employed in road construction and internal recycling (steel making) but still with many restrictions. The construction sector appears as a potential consumer of large quantities of SS. However, the volumetric instability of SS may be an issue for application in Portland cement (PC) based products. An alternative reuse for the SS would be as raw material in the alkali-activated materials (AAM). AAM are alternative materials that could present better mechanical and durability performances; they also incorporate larger amounts of industrial wastes. This research investigated the feasibility of SS as binder and aggregate in AAM, by determining the optimum activation parameters and the pre-treatment process needed (wet-curing and carbonation). Mechanical, microstructural and durability properties were evaluated via a series of characterization methods, such as scanning electron microscopy (SEM), X-ray microtomography (μCT), mercury intrusion porosimetry (MIP) and autoclave expansion, among others. Results showed that SS has low reactivity but may be alkaliactivated as single binder. In fact, the best mechanical results (compressive strength up to 20 MPa) were achieved by using an activator with low Na2O concentration (4%) and intermediary silica modulus (1.50- 2.22). As aggregate, the wet curing as pre-treatment of the SS is highly recommended for AAM and PC matrices to control the delayed expansion of the former, producing sound materials after accelerated testing. In addition, the ITZ showed a gel phase (most likely resulting from the reaction of the SS aggregate in the alkaline system) which promoted the bond between aggregates and paste. On the other hand, the carbonation as pre-treatment of SS strongly affected the strength development at early ages of AAM mortars due to the formation of sodium carbonate in the activator. The AAM mortar designed with neat SS as binder and aggregate presented low mechanical strength (up to 5 MPa) and high porosity. Consequently, this mortar does not have sufficient mechanical strength to be evaluated in accelerated expansion testing. The findings of this research showed that the use of SS as raw material is very promising for AAM development.
dc.description.abstractotherLa escoria de acería (EA) es un residuo sólido generado durante el proceso de fabricación del acero con generación anual de 270 millones de toneladas de EA en todo el mundo. La EA se puede reutilizar como materia prima alternativa en varias aplicaciones debido a su composición química, propiedades mecánicas y físicas: en agricultura, estabilización de suelos, construcción de carreteras y materiales de construcción en general. A pesar de este gran potencial de reutilización, la tasa de recuperación de EA varía de 20 a 98%, dependiendo del país, lo que conduce a un stock excesivo que causa daños ambientales y pasivos financieros. Hasta el momento, las principales aplicaciones que realmente consumen cantidades considerables de EA son la construcción de carreteras y el reciclaje interno (fabricación de acero), pero aún con muchas restricciones. El sector de la construcción aparece como un consumidor potencial de grandes cantidades de EA. Sin embargo, la inestabilidad volumétrica de EA puede ser un problema para la aplicación en productos a base de cemento Portland (CP). Una reutilización más ecológica para las EA sería como materia prima en los materiales álcali-activados (MAA). Los MAA son materiales alternativos que presentan mejores propiedades mecánicas y de durabilidad; también pueden incorporar mayores cantidades de residuos industriales. Esta investigación investigó la viabilidad de EA como aglutinante y árido en MAA a través de la determinación de los parámetros de activación óptimos y el proceso de pretratamiento necesario (curado en húmedo y carbonatación). Las propiedades mecánicas, microestructurales y de durabilidad se evaluaron mediante una serie de métodos de caracterización, como microscopía electrónica de barrido (MEB), microtomografía de rayos X (μCT), porosimetría de intrusión de mercurio (MIP) y expansión en autoclave, entre otros. Los resultados mostraron que, a pesar de la baja reactividad de la EA, se confirmaron el proceso de activación alcalina y el endurecimiento de las pastas a base de SS como aglutinante único. De hecho, los mejores resultados mecánicos (resistencia a la compresión hasta 20 MPa) se consiguieron con una combinación de baja concentración de Na2O (4%) y módulo de silicio intermedio (1.50-2.22). En cuanto al uso como árido, el curado en húmedo como pretratamiento es muy recomendable para las matrices MAA y PC para controlar la expansión retardada de la EA, produciendo materiales endurecidos tras el ensayo acelerado. Además, la interfase presentó una fase gelatinosa (muy probablemente resultante de la reacción del árido EA en el sistema alcalino) que favorecía la interfase entre áridos y pasta. Por otro lado, la carbonatación como pretratamiento afectó fuertemente al desarrollo de la resistencia a edades tempranas de los morteros MAA debido a la formación de carbonato sódico en el activador. El mortero MAA diseñado únicamente con EA como ligante y árido presentó bajas resistencias mecánicas (hasta 5 MPa) y alta porosidad total. Como consecuencia, este mortero no tiene suficiente resistencia mecánica para ser evaluado en pruebas aceleradas. Los resultados de esta investigación demostraron que el uso de EA como materia prima es muy prometedor para el desarrollo de MAA.
dc.identifier.urihttps://repositorio.cefetmg.br//handle/123456789/789
dc.language.isoen
dc.publisherCentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.initialsCEFET-MG
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil
dc.subjectMateriais de construção
dc.subjectResíduos industriais
dc.subjectEscória de aciaria
dc.subjectMateriais álcali-ativados
dc.titleFeasibility of steel slag as binder and aggregate in alkali-activated materials
dc.typeThesis

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Doutorado em Engenharia Civil