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Authors
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Abstract(s)
The scope of this thesis is the synthesis and characterization of binders produced with steel
slag from the National Steel Industry, in Maia and Seixal, Portugal, and activated by accelerated
carbonation curing. This doctorate thesis presents an extensive study over this technology
beginning with the state-of-the-art discussion, evidencing the most relevant studies about the
topic, as well as systematically identifying the research aspects which must be further
investigated and consequently approached on this thesis.
The steel slag from the National Steel Industry has its properties characterized by a different
analysis which determined its density and fineness. An elemental characterization was possible
through a scanning electron microscopy analysis, an X-ray diffraction analysis was done in order
to characterize the steel slag mineralogical phases.
The sample preparation process is discussed in detail highlighting the phases of drying, milling,
grain size separation, mixing, and compaction. Performing these steps ensures compliance and
reliability of results, plus influences the final product properties allowing optimal conditions
parameterization and final product improvements by manipulating each process phase
parameters. A study related to the use of additives on the steel slag hardening process with carbon
dioxide (CO2) curing is also evidenced and compared with relevant research in correlated areas.
A wide study about the accelerated carbonation curing conditions was performed which
evidenced the controlled parameters and the respective influence on the final results by
manipulating each of them. Oven temperature, system total pressure, curing duration, and
humidity were the investigated parameters and had their respective effects systematized. In
addition, with the CO2 curing, an analysis of the effect of complementary curing methods on
the binder’s compressive strength development was carried on. The carbonated steel slag
binders were subjected to complementary curing for the specific duration under four different
conditions: in an oven, moisture room, plastic bag and under water. The complementary curing
effects were exposed and discussed.
The microstructure characterization of steel slag-based binder activated by CO2 was performed
by scanning electron microscopy analysis, X-ray diffraction analysis and thermogravimetric
analysis, accomplishing the identification of the formed products on the steel slag carbonation.
The study defined optimal activation conditions and applied the same conditions to the Portland
cement for comparison purposes. Moreover, Portland cement had its characterization performed.
Esta investigação foi concretizada no âmbito da sintetização e caracterização de aglomerados compostos por escória de aço da Siderurgia Nacional de Maia e Seixal, Portugal, e ativados por carbonatação acelerada. Esta tese de doutoramento apresenta um extenso estudo acerca desta tecnologia. Inicia-se com uma reflexão sobre o estado da arte, evidenciando os estudos mais relevantes nesta temática, além de identificar de forma sistemática os pontos a investigar e que serão, consequentemente, abordados também nesta tese. As propriedades da escória de aço da Siderurgia Nacional foram caracterizadas através de análises e ensaios para determinar a densidade e espessura; análise de microscópio eletrónico de varredura para caracterizar os elementos; e difração de raio x para identificar as fases mineralógicas do material. O processo de preparação da amostra é discutido e explicado detalhadamente, indicando as etapas de secagem, moagem, separação granulométrica, mistura e compactação. A realização destas etapas, além de garantir a concordância e confiabilidade dos resultados, influencia diretamente as propriedades do produto final e possibilita que, ao alterar cada processo, o produto final seja aprimorado e os processos ótimos sejam parametrizados. O estudo sobre a utilização de aditivos no processo de endurecimento da escória de aço através da cura em dióxido de carbono (CO2), também é exposto e comparado a estudos relevantes em áreas correlacionadas. Um amplo estudo, referente às condições de cura por carbonatação acelerada é evidenciado, indicando os parâmetros que são controlados, e as respetivas influências nos resultados finais devido à manipulação destes mesmos. Os parâmetros investigados foram: temperatura, pressão parcial do CO2, tempo de cura e humidade; os respetivos efeitos foram sistematizados. Para além da cura em CO2, foi desenvolvida uma análise do efeito de métodos de curas complementares, correlacionadas com o ganho de resistência a compressão dos produtos finais. As amostras, após se ativarem por carbonatação, foram submetidas, por um período controlado, ao forno, câmara húmida, saco plástico e submersão em água; os efeitos desta cura alternativa foram expostos e discutidos. O aglomerado composto por escória de aço e ativado por cura em CO2 teve a sua microestrutura caracterizada através de análises microscópio eletrónico de varredura, análise de difração de raio x mineralógica e análise termogravimétrica, possibilitando a identificação dos produtos gerados, consequentes da carbonatação da escória de aço. A investigação utilizou o cimento Portland, submetido a estas condições, para realização das análises, tendo efetuado a sua caracterização. O estudo expõe as condições ótimas de ativação.
Esta investigação foi concretizada no âmbito da sintetização e caracterização de aglomerados compostos por escória de aço da Siderurgia Nacional de Maia e Seixal, Portugal, e ativados por carbonatação acelerada. Esta tese de doutoramento apresenta um extenso estudo acerca desta tecnologia. Inicia-se com uma reflexão sobre o estado da arte, evidenciando os estudos mais relevantes nesta temática, além de identificar de forma sistemática os pontos a investigar e que serão, consequentemente, abordados também nesta tese. As propriedades da escória de aço da Siderurgia Nacional foram caracterizadas através de análises e ensaios para determinar a densidade e espessura; análise de microscópio eletrónico de varredura para caracterizar os elementos; e difração de raio x para identificar as fases mineralógicas do material. O processo de preparação da amostra é discutido e explicado detalhadamente, indicando as etapas de secagem, moagem, separação granulométrica, mistura e compactação. A realização destas etapas, além de garantir a concordância e confiabilidade dos resultados, influencia diretamente as propriedades do produto final e possibilita que, ao alterar cada processo, o produto final seja aprimorado e os processos ótimos sejam parametrizados. O estudo sobre a utilização de aditivos no processo de endurecimento da escória de aço através da cura em dióxido de carbono (CO2), também é exposto e comparado a estudos relevantes em áreas correlacionadas. Um amplo estudo, referente às condições de cura por carbonatação acelerada é evidenciado, indicando os parâmetros que são controlados, e as respetivas influências nos resultados finais devido à manipulação destes mesmos. Os parâmetros investigados foram: temperatura, pressão parcial do CO2, tempo de cura e humidade; os respetivos efeitos foram sistematizados. Para além da cura em CO2, foi desenvolvida uma análise do efeito de métodos de curas complementares, correlacionadas com o ganho de resistência a compressão dos produtos finais. As amostras, após se ativarem por carbonatação, foram submetidas, por um período controlado, ao forno, câmara húmida, saco plástico e submersão em água; os efeitos desta cura alternativa foram expostos e discutidos. O aglomerado composto por escória de aço e ativado por cura em CO2 teve a sua microestrutura caracterizada através de análises microscópio eletrónico de varredura, análise de difração de raio x mineralógica e análise termogravimétrica, possibilitando a identificação dos produtos gerados, consequentes da carbonatação da escória de aço. A investigação utilizou o cimento Portland, submetido a estas condições, para realização das análises, tendo efetuado a sua caracterização. O estudo expõe as condições ótimas de ativação.
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Keywords
Indústria siderurgia - Escória de aço - Carbonatação acelerada - Portugal Indústria siderurgia - Materiais de construção sustentáveis - Escória de aço - Portugal