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Authors
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Abstract(s)
Reducing dependence on fossil fuels and harnessing renewable energy are imperative to facing the current climate emergency and mitigating problems related to pollutants. This thesis focuses on the analysis of the microstructure and thermal properties of mortars manufactured with 100% electric arc furnace slag (EAF-slag) for passive solar energy capture, aiming to contribute to sustainable energy solutions.
The first phase involved a comprehensive review of recent civil engineering research on solar thermal energy storage, highlighting the potential of energy harvesting devices. In addition, it delved deeper into the investigation of accelerated carbonation materials used both in research environments and in the construction sector.
The subsequent step evaluated the thermal capacity of the EAF-slag through differential scanning calorimetry (DSC). The results indicated that the EAF-slag binders exhibited consistent and minimal changes in heat flux responses at various temperature rates, contrasting with the irregular and more significant variations observed in the Portland cement-based binders. The DSC results emphasized the potential of EAF-slag in developing materials with thermal properties.
The third stage analyzed the thermal properties, microstructure and compressive strength of 100% EAF-slag mortars, with and without biochar. The incorporation of biochar led to a reduction in the thermal conductivity of the specimens. However, all EAF-slag specimens obtained results that surpass conventional Portland cement specimens in thermal conductivity. EAF-slag mortars demonstrated favorable thermal properties in all tests carried out. The thermal expansion of EAF-slag mortars was slightly more than twice that of Portland cement (PC) mortars. The EAF-slag mortar sample maintained a higher temperature than the PC mortar sample.
The material with particle size composition ranging from 1 mm to 2 mm and 100% EAF slag without biochar showed the most promising results of all tests of passive solar energy utilization in the construction industry.
These findings highlight a potential for 100% EAF-slag materials in passive solar thermal applications. Their superior thermal conductivity, substantial thermal capacitance, gradual heat absorption and heat release characteristics, and resilience to the effects of thermal energy position them as materials that perform well in maintaining mechanical stability even under extreme summer conditions.
This research highlights the feasibility of 100% EAF-slag carbonated materials for construction, offering a sustainable solution that mitigates the environmental impacts associated with waste and conventional passive solar thermal energy storage.
This study represents an advancement toward innovative and sustainable practices in civil engineering and construction. The analyzed material can be applied to facades, roofs, and pavements in areas with high solar exposure and elevated temperatures.
Reduzir a dependência de combustíveis fósseis e aproveitar a energia renovável é imperativo para enfrentar a atual emergência climática e mitigar problemas relacionados à poluição. Esta tese foca na análise da microestrutura e propriedades térmicas de argamassas fabricadas com 100% de escória de forno elétrico a arco (EAF-slag) para captura passiva de energia solar, com o objetivo de contribuir para soluções energéticas sustentáveis. A primeira fase envolveu uma revisão abrangente da pesquisa recente em engenharia civil sobre geração de energia solar e térmica, destacando o potencial dos dispositivos de colheita de energia. Além disso, aprofundou-se na investigação de materiais de carbonatação acelerada usados tanto em ambientes de pesquisa quanto no setor da construção. O próximo passo avaliou a capacidade térmica da escória EAF através de calorimetria diferencial de varredura (DSC). Os resultados indicaram que os ligantes de escória EAF apresentaram mudanças consistentes e mínimas nas respostas de fluxo de calor em diferentes taxas de temperatura, contrastando com as variações irregulares e mais significativas observadas nos ligantes à base de cimento Portland. Os resultados do DSC enfatizaram o potencial da escória EAF no desenvolvimento de materiais com propriedades térmicas. A terceira etapa analisou as propriedades térmicas, microestrutura e resistência à compressão de argamassas de 100% de escória EAF, com e sem biocarvão. A incorporação de biocarvão levou a uma redução na condutividade térmica das amostras. No entanto, todas as amostras de escória EAF obtiveram resultados que superaram as amostras de cimento Portland convencionais em condutividade térmica. As argamassas de escória EAF demonstraram propriedades térmicas favoráveis em todos os testes realizados. A expansão térmica das argamassas de escória EAF foi ligeiramente mais do que o dobro das argamassas de cimento Portland (CP). A amostra de argamassa de escória EAF manteve uma temperatura mais alta do que a amostra de argamassa de CP. A amostra com composição de tamanho de partícula variando de 1 mm a 2 mm e 100% de escória EAF sem biocarvão mostrou os resultados mais promissores de todos os testes de utilização de energia solar passiva na indústria da construção. Essas descobertas destacam um potencial para materiais de 100% de escória EAF em aplicações térmicas solares passivos. Sua condutividade térmica superior, capacidade térmica substancial, características de absorção de calor gradual e liberação de calor, e resistência aos efeitos da energia térmica os posicionam como materiais que se saem bem na manutenção da estabilidade mecânica mesmo sob condições extremas de verão. Esta pesquisa destaca a viabilidade de materiais carbonatados 100% a partir de escória de forno a arco elétrico (EAF) para construção, oferecendo uma solução sustentável que mitiga os impactos ambientais associados aos resíduos e ao armazenamento de energia térmica solar passiva convencional. Este estudo representa um avanço em direção a práticas inovadoras e sustentáveis na engenharia civil e construção. O material analisado pode ser aplicado em fachadas, telhados e pavimentos em áreas com alta exposição solar e temperaturas elevadas. Este estudo é um passo importante em direção a práticas inovadoras e sustentáveis na engenharia civil e construção.
Reduzir a dependência de combustíveis fósseis e aproveitar a energia renovável é imperativo para enfrentar a atual emergência climática e mitigar problemas relacionados à poluição. Esta tese foca na análise da microestrutura e propriedades térmicas de argamassas fabricadas com 100% de escória de forno elétrico a arco (EAF-slag) para captura passiva de energia solar, com o objetivo de contribuir para soluções energéticas sustentáveis. A primeira fase envolveu uma revisão abrangente da pesquisa recente em engenharia civil sobre geração de energia solar e térmica, destacando o potencial dos dispositivos de colheita de energia. Além disso, aprofundou-se na investigação de materiais de carbonatação acelerada usados tanto em ambientes de pesquisa quanto no setor da construção. O próximo passo avaliou a capacidade térmica da escória EAF através de calorimetria diferencial de varredura (DSC). Os resultados indicaram que os ligantes de escória EAF apresentaram mudanças consistentes e mínimas nas respostas de fluxo de calor em diferentes taxas de temperatura, contrastando com as variações irregulares e mais significativas observadas nos ligantes à base de cimento Portland. Os resultados do DSC enfatizaram o potencial da escória EAF no desenvolvimento de materiais com propriedades térmicas. A terceira etapa analisou as propriedades térmicas, microestrutura e resistência à compressão de argamassas de 100% de escória EAF, com e sem biocarvão. A incorporação de biocarvão levou a uma redução na condutividade térmica das amostras. No entanto, todas as amostras de escória EAF obtiveram resultados que superaram as amostras de cimento Portland convencionais em condutividade térmica. As argamassas de escória EAF demonstraram propriedades térmicas favoráveis em todos os testes realizados. A expansão térmica das argamassas de escória EAF foi ligeiramente mais do que o dobro das argamassas de cimento Portland (CP). A amostra de argamassa de escória EAF manteve uma temperatura mais alta do que a amostra de argamassa de CP. A amostra com composição de tamanho de partícula variando de 1 mm a 2 mm e 100% de escória EAF sem biocarvão mostrou os resultados mais promissores de todos os testes de utilização de energia solar passiva na indústria da construção. Essas descobertas destacam um potencial para materiais de 100% de escória EAF em aplicações térmicas solares passivos. Sua condutividade térmica superior, capacidade térmica substancial, características de absorção de calor gradual e liberação de calor, e resistência aos efeitos da energia térmica os posicionam como materiais que se saem bem na manutenção da estabilidade mecânica mesmo sob condições extremas de verão. Esta pesquisa destaca a viabilidade de materiais carbonatados 100% a partir de escória de forno a arco elétrico (EAF) para construção, oferecendo uma solução sustentável que mitiga os impactos ambientais associados aos resíduos e ao armazenamento de energia térmica solar passiva convencional. Este estudo representa um avanço em direção a práticas inovadoras e sustentáveis na engenharia civil e construção. O material analisado pode ser aplicado em fachadas, telhados e pavimentos em áreas com alta exposição solar e temperaturas elevadas. Este estudo é um passo importante em direção a práticas inovadoras e sustentáveis na engenharia civil e construção.
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Keywords
Propriedades térmicas Microestrutura EAF-escória Materiais carbonatados Energia solar passiva Indústria da construção