Valorização de resíduos industriais como fonte alternativa mineral: composições cerâmicas e cimentíceas

Abstract

O presente trabalho detalha estudos de valorização de resíduos como matérias-primas alternativas. Diferentes resíduos industriais baseados no sistema SiO2-Al2O3-CaO e classificados como não perigosos foram seleccionados: lamas geradas em processos de anodização de alumínio, lamas de estações de tratamento de água potável, lamas de corte de rochas ornamentais e areia de moldação da indústria de fundição. A caracterização completa destes resíduos é apresentada, incluindo parâmetros físico-químicos e comportamento térmico. De acordo com o potencial de valorização apresentado, seleccionaram-se quatro aplicações possíveis, das quais várias misturas foram formuladas e processadas experimentalmente: (i) clinqueres/cimentos, (ii) cerâmicos refractários (iii) agregados leves, e (iv) adjuvantes de trabalhabilidade de argamassas cimentíceas. As formulações de clínquer foram caracterizadas por técnicas convencionais e avançadas, tais como a ressonância magnética nuclear de 27Al e 29Si (RMNMAS), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e difractometria de raios-X (DRX). As técnicas experimentais utilizadas permitiram acompanhar a cinética de formação e desenvolvimento das fases durante o processamento térmico do clínquer. Os principais compostos cimentíceos de formulações comuns (C2S, C3S, C3A e C4AF) foram sintetizados e utilizados como referência. A extrusão de formulações cerâmicas refractárias também foi estudada. O comportamento plástico foi caracterizado por ensaios de tensão-deformação. Após ajuste da plasticidade, extrudiram-se amostras em diferentes condições de velocidade de extrusão. Com estas condições e as equações do modelo de Benbow para a extrusão de pastas, optimizaram-se as condições de processamento e, em consequência, as propriedades das amostras sinterizadas, que também foram caracterizadas. O processamento de um novo agregado leve à base de lama de corte e polimento de granito foi explorado. Procurou-se melhorar a resistência mecânica das amostras sem sacrificar (aumentar) em demasia a densidade aparente, conseguida pela formação de uma microestrutura constituída por poros fechados internos e vitrificação parcial da camada superficial do agregado. A evolução microestrutural foi avaliada por microscopia electrónica de varrimento e o comportamento expansivo foi acompanhado por microscopia óptica de aquecimento. Estudou-se o efeito das variáveis relevantes no processamento térmico nas propriedades das amostras e, dessa forma, conseguiu-se optimizar o processo e melhorar a compreensão dos fenómenos responsáveis pela expansão. Finalmente, relatam-se estudos do uso de lama gerada em operações de clarificação de água potável como adjuvante de trabalhabilidade de uma argamassa cimentícea industrial, em substituição de bentonite comercial. O resíduo foi enriquecido com fosfato de sódio, agente activo retardador do início de presa de massas cimentíceas, sendo utilizado como matriz de transferência do agente activo. No seu estado fresco, as argamassas foram caracterizadas quanto à consistência inicial e sua evolução ao longo do período de presa. A trabalhabilidade foi também aferida por medidas reológicas usando um viscosímetro adequado. Este estudo demonstra a potencialidade das diferentes soluções de valorização dos resíduos, que poderão ser usados em alternativa a recursos minerais naturais.

This present work describes studies of valorization of wastes as alternative raw materials. Different industrial wastes, based on the SiO2-Al2O3-CaO system and classified as non-hazardous, were selected: Al-rich anodizing sludge, sludge from the filtration/clarification of potable water, sludge generated in ornamental stone-cutting processes, and foundry sand. The full characterization of the waste materials is reported, including physical and chemical parameters and thermal behaviour. Based on the observed valorization potential, four possible applications were selected and, for each, various mixtures were prepared and experimentally processed: (i) clinkers/cements, (ii) refractory ceramics (iii) lightweight aggregates, and (iv) retardants and workability-aids in rendering/plastering mortars. The clinker formulations were characterized by conventional and advanced techniques, such as: 27Al and 29Si magic-angle spinning nuclear magnetic resonance (NMR-MAS), differential scanning calorimetry (DSC) and powder Xray diffraction (XRD). Using those experimental techniques, phase formation and development kinetics during the clinker thermal processing could be followed. The major cement compounds found in common formulations (C2S, C3S, C3A e C4AF) were also synthesized and used as reference. The extrusion of ceramic refractory formulations was also studied. The plastic behaviour was characterised by stress-strain curves. After adjusting the plasticity level, samples were extruded in different conditions of ram speed and pressure. Using those conditions and the Benbow model for paste extrusion, the processing conditions were optimized and so were the properties of the fired samples, which were also characterized. The processing of a new lightweight aggregate, based on the sludge generated in granite cutting and polishing processes, was investigated. The study was aimed at improving the samples mechanical strength with minimum sacrifice (increase) of the apparent density, which results from the aggregate microstructure, consisting of internal closed pores and a partially vitrified surface layer. Changes in microstructure were evaluated by scanning electron microscopy and the expansive behaviour was studied by hot stage microscopy. The effect of the relevant thermal processing variables on the samples properties was studied and, in this way, the process could be optimized and the understanding of the phenomena causing the expansion could be furthered. Finally, studies are described on the use of the sludge generated in potable water filtration/cleaning operations as set retardant and workability-aid in a rendering/plastering industrial mortar, instead of commercial bentonite. The waste material was enriched with sodium phosphate, which is the set retarding active agent in cement pastes, and was used as transference matrix for the active agent. The fresh mortars were characterized in terms of consistency throughout the setting period, from the onset of setting until full hardenining. The mortars workability also was accompanied by rheological measurements using a special viscometer. This study demonstrates the potential of the wastes various valorization routes, which can thus be upgraded to alternative raw materials to natural mineral resources.