Experimental evaluation of cement composites with steel slag and addition of nanofibrillated cellulose

Abstract

Civil construction is a sector that generates significant pollution and consumption of natural resources. However, it also has the potential to incorporate waste from various industrial sectors. Reusing waste is an interesting alternative as it reduces the amount of material deposited in inappropriate areas and the amount of raw material extracted from nature. Among the various wastes currently generated, steel slag from the steel industry can be mentioned. Characteristics such as mechanical strength and angularity of the grains favor its use as aggregate in cementitious composites. Furthermore, it has cementing properties and can be combined with Portland cement. Many studies have also demonstrated that nanofibrillated cellulose (NFC) can potentially increase the strength of cementitious matrices. In this context, the present work sought to produce and evaluate cementitious composites with steel slag aggregates, partial cement replacement by slag powder, and incorporation of NFC. This is an unprecedented association of materials, which demonstrates the relevance of evaluating their properties. To this end, a literature review was initially carried out on the effect of NFCs on cementitious materials to understand the mechanisms by which nanofibers are beneficial. Next, a study was undertaken on the impact of sonication on the dispersion of NFCs and the mechanical strength of cementitious composites produced with them. Finally, different mixtures were produced, varying the percentage of cement replacement with slag (from 0 to 50%) and the addition of NFC (from 0 to 0.2%). These mixtures were evaluated for their strength in compression and flexion, eco-efficiency, and mechanical strength after exposure to high temperatures. The literature review found that NFCs increase the hydration of the cement paste and control microcracks, enhancing mechanical strength and durability. With the experimental evaluation conducted, it was found that sonication is an efficient method for dispersing fibers, with an optimum point at which longer times impair dispersion. In the present work, the ideal time was 0.04 min/ml. As for mechanical strength, higher packing factors led to greater strength. However, very high factors impaired the performance of the composites. A packing factor of 0.72 balanced good mechanical strength and workability. In the evolution of mechanical strength over time, mixes without slag powder and with the addition of 0.2% NFC showed an increase in flexural strength of 27.7% from 7 to 28 days, while for the mix without NFC the gain was just 11.6%. Replacing cement with slag reduced mechanical strength but increased eco-efficiency. Mixtures with 50% slag and 0.2% NFC demonstrated a 40% drop in the cement intensity in bending, indicating that a smaller amount of cement was needed to increase the strength by 1 MPa. Furthermore, 90% of this mixture's volume was waste. Finally, adding 25% powder proved to be quite efficient in mitigating the loss of mechanical strength when the temperature rises. Keywords: Cementitious composites. Steel slag. Nanobrillated cellulose. Mechanical strength. Eco-efficiency. Behavior at high temperatures.A construção civil é um setor que gera grande poluição e consumo de recursos naturais. Porém, também possui potencial de incorporar resíduos de diversos ramos industriais. O reaproveitamento de resíduos é uma alternativa interessante por diminuir a quantidade de material depositado em locais inadequados e a quantidade de matéria-prima extraída da natureza. Dentre os diversos resíduos gerados atualmente, pode ser citada a escória de aciaria proveniente da indústria do aço. Características como resistência mecânica e angularidade dos grãos favorecem o seu emprego como agregado em compósitos cimentícios. Além disso, possui propriedades cimentantes, podendo ser usada conjuntamente ao cimento Portland. Muitos estudos também têm demonstrado que a celulose nanofibrilada (CNF) possui potencial em incrementar a resistência de matrizes cimentícias. Nesse contexto, o presente trabalho buscou a produção e avaliação de compósitos cimentícios com agregados de escória, substituição parcial de cimento por escória, e incorporação de CNF. Trata-se de uma associação de materiais inédita, o que demonstra a relevância de se avaliar as suas propriedades. Para isso, inicialmente fez-se uma revisão de literatura sobre o efeito das CNFs em materiais cimentícios para compreender os mecanismos pelas quais as nanofibras são benéficas. Em seguida, empreendeu- se um estudo do efeito da sonicação na dispersão das CNFs e na resistência mecânica dos compósitos cimentícios produzidos com elas. Por fim, foram produzidos diferentes traços, variando-se a porcentagem de substituição de cimento por escória (de 0 a 50%) e de adição de CNF (de 0 a 0,2%). Tais traços foram avaliados quanto à sua resistência à compressão e flexão, ecoeficiência e resistência mecânica após exposição a altas temperaturas. Pela revisão de literatura constatou-se que as CNFs aumentam a hidratação da pasta de cimento e controlam as microfissuras, conduzindo a incrementos na resistência mecânica e durabilidade. Com a avaliação experimental conduzida, verificou-se que a sonicação é um método eficiente para dispersão das fibras, existindo um ponto ótimo a partir do qual maiores tempos prejudicam a dispersão. No presente trabalho, o tempo ideal foi de 0,04 min/ml. Quanto à resistência mecânica, maiores fatores de empacotamento conduziram a maiores resistências. No entanto, fatores muito altos prejudicaram o desempenho dos compósitos. Um fator de empacotamento de 0,72 conseguiu equilibrar boa resistência mecânica e trabalhabilidade. Na evolução da resistência mecânica ao longo do tempo, traços sem pó de escória e com a adição de 0,2% de CNF apresentaram incremento de resistência à flexão em 27,7% dos 7 aos 28 dias, enquanto para o traço sem CNF o ganho foi de apenas 11,6%. A substituição de cimento por escória diminuiu a resistência mecânica, mas aumentou a ecoeficiência. Traços com 50% de escória e 0,2% de CNF demonstraram uma queda de 40% na intensidade do cimento na flexão, indicando que uma menor quantidade de cimento era necessária para elevar em 1 MPa a resistência. Além disso, tal traço tinha 90% do seu volume constituído por resíduo. Por fim, a adição de 25% de powder se mostrou bastante eficiente em mitigar a perda de resistência mecânica diante a elevação da temperatura. Palavras-chave: Compósitos cimentícios. Escória de aciaria. Celulose nanofibrilada. Resistência mecânica. Ecoeficiência. Comportamento em altas temperaturas.