Resíduo de areia de fundição estabilizado com ligante álcaliativado de cinza de bagaço de cana-de-açúcar e cal de casca de ovo : desempenho mecânico, microestrutura, lixiviação e sustentabilidade

Abstract

A valorização de resíduos e o desenvolvimento de ligantes alternativos ao cimento Portland são importantes para práticas de engenharia sustentável. Assim, este estudo avaliou a estabilização de resíduo de areia de fundição (RAF) com um novo ligante álcali-ativado (LAA) oriundo de cinza de bagaço de cana-de-açúcar, cal de casca de ovo hidratada e hidróxido de sódio (NaOH). A produção do LAA avaliou a RCS e a microestrutura (DRX, MEV e FTIR) de pastas álcali-ativadas, considerando diferentes relações cinza/cal e água/ligante, e molaridade. Misturas RAF-LAA foram produzidas considerado diferentes fatores (teor de umidade, peso específico aparente seco, teor de ligante, temperatura e tempo de cura) e avaliadas quanto a: RCS, RCD, 𝐺0, durabilidade (PMA), mineralogia (DRX), composição química (FTIR), microestrutura (SEM), lixiviação e solubilização de metais. Misturas RAFcimento Portland (CPV) foram avaliadas como um grupo controle. Os resultados de comportamento mecânico foram submetidos a análise estatística e correlacionados ao índice porosidade/teor volumétrico de ligante (η/Biv). Avaliações ambiental, econômica e social do ciclo de vida da estabilização de RAF com LAA foram realizadas para avaliar a sustentabilidade, comparativamente a RAF-CPV. O LAA é composto por 80/20 cinza/cal, 0,8 água/ligante e 2,61 Na2O. O comportamento mecânico de RAF-LAA é influenciado significativamente (de maior a menor magnitude) pelo teor de ligante, peso específico, temperatura de cura, tempo de cura e teor de umidade respectivamente. RAF-LAA apresentou resultados mecânicos similares ou superiores a RAF-CPV. RAF-LAA atingiu uma resistência média de 9,8 MPa após 28 dias de cura a 40°C. Corpos de prova com altas resistências (RCS e RCD) apresentaram elevados valores de rigidez inicial. Misturas com altos teor de LAA e peso específico tiverem PMA em torno de 7%. O índice η/Biv0,28 mostrou-se um parâmetro adequado para avaliar a estabilização de RAF com distintos ligantes. Gel N-A-S-H foi identificado nas misturas RAF-LAA. Maiores temperatura e tempo de cura resultaram em matrizes cimentadas mais homogêneas e compactas. O método de lixiviação da NBR 10005 forneceu resultados mais favoráveis do que D4874 perante limites de qualidade de águas. RAF-LAA encapsulou Cd, Cr, Mn, Pb e Zn presentes nos resíduos e não representa risco ambiental em termos de toxicidade por metais. A dosagem alta densidade-baixo ligante (ADBL) resultou em menores impactos ambientais e econômicos do que a baixa densidade-alto ligante. Em RAF-LAA, os impactos ambientais estão associados principalmente aos processos de produção de matérias-primas (NaOH e cal) e de transporte de materiais, enquanto que, a produção de cimento Portland foi o fator mais influente em RAF-CPV. A dosagem LAA-ADBL apresentou maiores custos diretos e menores custos indiretos (custo social do CO2) do que CPV-ADBL. RAF-LAA gerou maior impacto social positivo em relação a RAF-CPV. A estabilização de RAF com LAA-ADBL possui um índice de sustentabilidade superior (0,59) a RAF com CPV-ADBL (0,49).

Waste valorization and the development of alternative binders to Portland cement are important to sustainable engineering practices. Thus, this study evaluated the stabilization of waste foundry sand (WFS) with a new alkaliactivated binder (AAB) from sugar cane bagasse ash, hydrated eggshell lime, and sodium hydroxide (NaOH). The production of AAB evaluated the unconfined compressive strength (qu) and microstructure (XRD, SEM, and FTIR) of alkali-activated pastes, considering different ash/lime and water/binder ratios, and molarity. WFS-AAB mixtures were produced considering distinct factors (moisture content, dry unit weight, binder content, temperature, and curing time) and evaluated according to qu, qt, G0, durability (ALM), mineralogy (XRD), chemical composition (FTIR), microstructure (SEM), leaching and solubilization of metals. WFS-Portland cement (PC) mixtures were evaluated as a control group. The mechanical behavior results were submitted to statistical analysis and correlated to the porosity/volumetric binder content index (η/Biv). Environmental, economic, and social life cycle assessments of WFS stabilization with AAB were carried out to assess sustainability compared to WFS-PC. The AAB was composed of 80/20 ash/lime, 0.8 water/binder, and 2.61 Na2O. The mechanical behavior of WFS-AAB is significantly influenced (from higher to lower magnitude) by binder content, dry unit weight, curing temperature, curing time, and moisture content, respectively. WFS-AAB showed mechanical results similar or superior to WFS-PC. WFS-AAB achieved an average strength of 9.8 MPa after 28 days of curing at 40°C. Specimens with higher strengths (qu e qt) showed higher values of initial stiffness. Mixtures with higher AAB content and dry unit weight showed an ALM of around 7%. The η/Biv0.28 index was shown to be an appropriate parameter for evaluating the stabilization of WFS with different types of cement. N-A-S-H gels were identified in WFS-AAB mixtures. Higher temperatures and curing times led to more homogeneous and compact cemented matrices. The leaching method of NBR 10005 provided more favorable results than D4874 before the water quality limits. WFS-AAB encapsulated Cd, Cr, Mn, Pb, and Zn from wastes and poses no environmental risk in terms of metal toxicity. The high density-low binder (HDLB) dosage resulted in lower environmental and economic impacts than a low density-high binder. In WFS-AAB, the environmental impacts are mainly associated with raw materials production (NaOH and lime) and materials transportation processes, while Portland cement production was the most influential factor in WFS-PC. The AAB-HDLB dosage showed higher direct costs and lower indirect costs (social cost of CO2) than PC-HDLB. WFS-AAB generated a higher positive social impact compared to WFS-PC. The stabilization of WFS with AAB-HDLB presents a higher sustainability index (0.59) than WFS with PC-HDLB (0.49).