Biomass fly ash incorporation in cement based materials

Abstract

In recent years, pressures on global environment and energy security have led to an increasing demand on renewable energy sources, and diversification of Europe’s energy supply. Among these resources the biomass could exert an important role, since it is considered a renewable and CO2 neutral energy resource once the consumption rate is lower than the growth rate, and can potentially provide energy for heat, power and transports from the same installation. Currently, most of the biomass ash produced in industrial plants is either disposed of in landfill or recycled on agricultural fields or forest, and most times this goes on without any form of control. However, considering that the disposal cost of biomass ashes are raising, and that biomass ash volumes are increasing worldwide, a sustainable ash management has to be established. The main objective of the present study is the effect of biomass fly ashes in cement mortars and concretes in order to be used as a supplementary cementitious material. The wastes analyzed in the study were collected from the fluidized bed boilers and grate boilers available in the thermal power plants and paper pulp plants situated in Portugal. The physical as well as chemical characterisations of the biomass fly ashes were investigated. The cement was replaced by the biomass fly ashes in 10, 20 and 30% (weight %) in order to investigate the fresh properties as well as the hardened properties of biomass fly ash incorporated cement mortar and concrete formulations. Expansion reactions such as alkali silica reaction (ASR), sulphate attack (external and internal) were conducted in order to check the durability of the biomass fly ash incorporated cement mortars and concretes. Alternative applications such as incorporation in lime mortars and alkali activation of the biomass fly ashes were also attempted. The biomass fly ash particles were irregular in shape and fine in nature. The chemical characterization revealed that the biomass fly ashes were similar to a class C fly ash. The mortar results showed a good scope for biomass fly ashes as supplementary cementitious materials in lower dosages (<20%). The poor workability, concerns about the organic content, alkalis, chlorides and sulphates stand as the reasons for preventing the use of biomass fly ash in high content in the cement mortars. The results obtained from the durability tests have shown a clear reduction in expansion for the biomass fly ash mortars/concretes and the binder blend made with biomass fly ash (20%) and metakaolin (10%) inhibited the ASR reaction effectively. The biomass fly ash incorporation in lime mortars did not improve the mortar properties significantly though the carbonation was enhanced in the 15-20% incorporation. The biomass fly ash metakaolin blend worked well in the alkali activated complex binder application also. Portland cement free binders (with 30-40 MPa compressive strength) were obtained on the alkali activation of biomass fly ashes (60-80%) blended with metakaolin (20-40%).

Recentemente, as pressões ao nível da segurança, do ambiente e da energia conduziram a uma procura crescente de fontes de energia renováveis, e à diversificação das fontes de energia da Europa. Entre estes recursos a biomassa pode ter um papel importante, uma vez que é considerada como um recurso renovável e neutra em termos de CO2 pois a taxa do consumo é mais baixa do que a taxa de crescimento e pode potencialmente fornecer energia para calor, eletricidade e transportes a partir da mesma instalação. Atualmente, a maioria da cinza de biomassa produzida em unidades industriais é disposta em aterro ou reciclada na floresta ou na agricultura e, na maioria das vezes, isto sucede sem grande controlo. Contudo, considerando que o custo da eliminação de cinzas de biomassa vem crescendo, e que os volumes da cinza de biomassa estão a aumentar, uma gestão sustentável das cinzas tem de ser implementada. O objetivo principal deste trabalho é o estudo do efeito de cinzas volantes de biomassa em argamassas e betões com base em cimento de modo a serem usadas como um material cimentíceo suplementar. Os resíduos analisados no estudo foram colhidos de caldeiras de leito fluidizado e caldeiras de grelha disponíveis em unidades de produção elétrica e em unidades industriais de produção de pasta e papel em Portugal. As caracterizações físicas e químicas das cinzas volantes de biomassa foram efetuadas. O cimento foi substituído pelas cinzas de biomassa a fim de investigar o efeito nas propriedades no estado fresco bem com nas propriedades no estado endurecido de formulações de argamassa e betão. Reações expansivas tais como a reação alcali-sílica (ASR) e as reações sulfáticas (externas e internas) foram estudadas a fim verificar a durabilidade das argamassas e betões de cimento contendo cinzas volantes de biomassa. As aplicações alternativas tais como a incorporação de cinzas em argamassas de cal e a ativação alcalina foram também estudadas. As partículas da cinza de biomassa eram irregulares na forma e finas. A caracterização química revelou que as cinzas eram similares a uma cinza volante da classe C. Os resultados em argamassas mostraram viabilidade para o uso de cinzas de biomassa como materiais cimentíceos suplementares em teores baixos (<20%). A trabalhabilidade, o conteúdo orgânico, o teor de alcalinos, cloretos e sulfatos são razões para impedir maiores incorporações de cinza de biomassa nas argamassas de cimento. Os resultados dos testes da durabilidade mostraram uma redução na expansão para argamassas e betões contendo cinzas de biomassa especialmente quando se misturou cinzas (20%) com metacaulino (10%). A incorporação da cinza de biomassa em argamassas de cal não melhorou as propriedades significativamente embora a carbonatação fosse maior quando da incorporação de 15 ou 20%. A mistura do metacaulino com a cinza de biomassa funcionou bem na aplicação envolvendo a ativação alcalina. Ligantes sem cimento Portland com resistência à compressão de 30-40 MPa foram obtidas pela ativação alcalina das cinzas de biomassa (60-80%) misturadas com o metacaulino (20-40%).