Experimental Investigation of Strength and Durability Characteristics of Alkaline Activated Slag Concrete Replacing the Fine Aggregate with Bottom Ash

Resumo Técnico: Investigação Experimental das Características de Resistência e Durabilidade de Concreto de Escória Ativada Alcalinamente Substituindo o Agregado Miúdo por Cinza de Fundo

Definição do Problema
A indústria da construção global enfrenta desafios ambientais significativos devido à sua dependência do Cimento Portland Comum (OPC) e da areia de rio natural. A produção de cimento é um grande contribuente para as emissões globais de CO₂ (aproximadamente 4–8%), com 1 tonelada de cimento liberando 1 tonelada de CO₂. Concomitantemente, o descarte de subprodutos industriais, especificamente a cinza de fundo de combustão de carvão, apresenta riscos ambientais através da degradação do solo e potencial lixiviação de metais pesados. O estudo aborda a necessidade dupla de reduzir a pegada de carbono do concreto e gerir resíduos industriais através do desenvolvimento de um Concreto Geopolímero (GPC) sustentável que utiliza Escória Granulada de Alto Forno (GGBFS) como substituto do cimento e cinza de fundo como substituição parcial do agregado miúdo natural (areia de rio).

Metodologia
A pesquisa empregou uma abordagem experimental sistemática dividida em três fases:

1. Preparação da Mistura: Espécimes de GPC foram preparados utilizando GGBFS como aglutinante. A cinza de fundo foi utilizada para substituir a areia de rio natural em níveis variados: 0% (controle), 10%, 20%, 30%, 40% e 50%. As misturas foram ativadas com soluções alcalinas de Hidróxido de Sódio (NaOH) e Silicato de Sódio (Na₂SiO₃).
2. Avaliação das Propriedades de Engenharia: A trabalhabilidade do concreto fresco foi avaliada via teste de abatimento/slump (IS 1199). As propriedades endurecidas foram avaliadas através de testes de resistência à compressão e resistência à tração por compressão simples em diversas idades de cura (3, 7, 28 e 90 dias) sob condições de cura ambiente e química.
3. Avaliação da Durabilidade: A resistência do concreto a ambientes agressivos foi testada expondo os espécimes a soluções de Ácido Sulfúrico (H₂SO₄) a 5% e Sulfato de Magnésio (MgSO₄) a 5%. A resistência à compressão residual e a perda de massa foram medidas após 28, 56 e 90 dias de exposição.

As variáveis principais investigadas incluíram a relação Alcalino/Aglutinante (variando de 0,35 a 0,55) e a molaridade de NaOH (de 8M a 16M).

Principais Resultados

• Trabalhabilidade: A mistura de controle (0% de cinza de fundo) exibiu um abatimento de 108 mm. À medida que o conteúdo de cinza de fundo aumentava, a trabalhabilidade diminuía devido à textura porosa e irregular das partículas de cinza. A mistura com 50% de substituição apresentou um abatimento de 76 mm, representando uma redução de 29,63%. No entanto, o aumento da relação Alcalino/Aglutinante de 0,35 para 0,55 melhorou a trabalhabilidade, com valores de abatimento subindo de 65 mm para 145 mm.
• Resistência à Compressão:
  • Relações Ótimas: Uma relação Alcalino/Aglutinante de 0,45 proporcionou o melhor equilíbrio, atingindo 42,5 MPa aos 28 dias e 49,2 MPa aos 90 dias.
  • Concentração de NaOH: Uma maior molaridade aumentou significativamente a resistência. A mistura de 16M alcançou 32,9 MPa (7 dias), 44,6 MPa (28 dias) e 51,8 MPa (90 dias), comparado a resistências menores na mistura de 8M.
  • Impacto da Cinza de Fundo: O aumento do conteúdo de cinza de fundo geralmente reduziu a resistência à compressão. Contudo, misturas com até 40% de substituição mantiveram resistências estruturalmente satisfatórias (35,7–42,5 MPa aos 28 dias; 43,1–49,1 MPa aos 90 dias sob cura ambiente). Todas as misturas excederam a resistência de projeto alvo de 40 MPa aos 90 dias.
• Resistência à Tração por Compressão: A resistência à tração diminuiu com o maior conteúdo de cinza de fundo, caindo de 4,75 MPa (controle) para 4,23 MPa (50% de substituição) aos 28 dias. Apesar dessa redução, todas as misturas permaneceram dentro de limites estruturalmente sólidos.
• Durabilidade:
  • Resistência Ácida: Após 90 dias em H₂SO₄ a 5%, todas as misturas retiveram mais de 69% de sua resistência original à compressão. A mistura de controle reteve 76,5%, enquanto a mistura com 50% de cinza de fundo reteve 69,2%.
  • Resistência ao Sulfato: A exposição a MgSO₄ a 5% por 90 dias resultou em todas as misturas retendo mais de 82% de sua resistência à compressão (Controle: 88,5%; 50% de substituição: 82,1%).

Principais Contribuições
O estudo demonstra que a cinza de fundo pode substituir efetivamente até 40% do agregado miúdo natural em concreto de GGBFS ativado alcalinamente sem comprometer a integridade estrutural ou a durabilidade. Identifica os parâmetros de mistura ideais para este concreto sustentável: uma relação Alcalino/Aglutinante de 0,45 e uma concentração de NaOH de 16M. A pesquisa confirma que a matriz geopolimérica densa formada pela ativação de GGBFS proporciona alta resistência a ataques ácidos e de sulfato, mesmo com a inclusão de resíduos industriais porosos.

Significância
O artigo afirma que esta abordagem oferece um caminho viável para a construção sustentável ao reduzir simultaneamente o consumo de recursos naturais (areia de rio) e mitigar o impacto ambiental da produção de cimento e dos resíduos industriais (cinza de fundo). Os resultados sugerem que o concreto geopolímero utilizando estes materiais pode atender aos requisitos padrão de engenharia para resistência e durabilidade, promovendo a adoção de materiais de construção ecológicos no setor da construção.