SUSTAINABLE HARDENING OF EAF SLAG MORTARS BY ACCELERATED CARBONATION: STATISTICAL OPTIMIZATION

ENDURECIMENTO SUSTENTÁVEL DE ARGAMASSAS COM ESCÓRIA FEA POR CARBONATAÇÃO ACELERADA: OTIMIZAÇÃO ESTATÍSTICA

Authors

  • Heliton Weide UFSM - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
  • André Lübeck UFSM - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
  • Alexandre Silva de Vargas UFSM - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
  • Daniel Assumpção Bertuol UFSM - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
  • Felipe José da Silva IFRJ - INSTTUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO DE JANEIRO

DOI:

https://doi.org/10.29183/2447-3073.MIX2026.v12.n1.%25p

Keywords:

Accelerated carbonation, Electric arc furnace steel slag, Carbon sequestration

Abstract

Portland cement production generates elevated CO₂ emissions on the order of 500 kg to 600 kg per ton of cement, and this fact drives the development of cements with lower environmental impact. Consequently, metallurgical slag activation methodologies through accelerated carbonation have emerged as a promising alternative to produce clinker-free binders. This study evaluated the effect of process parameters on the compressive strength of mortars produced with electric arc furnace slag (EAFS) and sand in a mix ratio of 1:3. Cylindrical specimens were subjected to accelerated carbonation at a range of temperatures (40 °C, 60 °C and 80 °C), CO₂ pressures (5 bar, 10 bar, 40 bar and 60 bar) and process times (2 h, 4 h and 6 h) and compared to control samples which were not subjected to CO₂ activation. Statistical analysis (ANOVA and Tukey’s test) determined that carbonation time was a significant factor for all temperature ranges, while CO₂ pressure was only relevant at 60 °C. Optimized conditions yielded a compressive strength of 12.56 MPa compared to 0.97 MPa of the control sample - an increase of 1,195%. Results confirmed that accelerated carbonation was an efficient methodology to produce sustainable EAFS-based cementitious materials with superior mechanical properties.

Author Biographies

  • Heliton Weide, UFSM - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

    Doutorando no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental (PPGECAM), com foco no desenvolvimento de ligantes sustentáveis por meio da carbonatação acelerada de escórias. Engenheiro Civil formado pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), possui experiência em pesquisa na área de materiais de construção e sustentabilidade. Atuou em laboratório com caracterização de argamassas e alvenaria estrutural, foi bolsista PIBIC/CNPq em estudos sobre modos de ruptura, e também participou de pesquisas voltadas ao reaproveitamento de resíduos na produção de materiais cerâmicos. Concluiu o mestrado em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), pesquisando ligantes à base de escória ativados por carbonatação acelerada.

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/1188464308379628

    ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8528-1344

  • André Lübeck, UFSM - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

    Possui graduação em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Santa Maria (2006), mestrado (2008) e doutorado (2016) pela mesma universidade. É professor adjunto no Departamento de Estruturas e Construção Civil da Universidade Federal de Santa Maria.

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/7511022637484145

    ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5772-9933

  • Alexandre Silva de Vargas, UFSM - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

    Possui graduação em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2000), mestrado em Engenharia na Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2002), doutorado (2006) e Pós-Doutorado (2015) em Engenharia pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2006). No Período 2004/2005 parte do Curso de Doutorado foi realizado na Escola de Engenharia Civil da Universidade do Minho (Portugal). Trabalhou como Professor/Pesquisador na Universidade Feevale de 2007 a 2019 nos cursos de cursos de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo e no Mestrado Profissional em Materiais e Processos Industriais. Neste período também trabalhou como Engenheiro civil na Prefeitura de Novo Hamburgo, principalmente na Fiscalização de obras Públicas (Execução de Escolas, Unidades de Saúde, pavimentação, drenagem urbana, entre outros serviços) assim como elaboração de Laudos e Relatórios Técnicos .Tem experiência na área de Engenharia Civil, com ênfase em construção civil, tecnologias e sistemas construtivos, desenvolvimento de novos materiais e componentes para a construção civil, principalmente no estudo de potenciais resíduos para substituição de materiais tradicionais na construção civil. Em Janeiro de 2019 ingressou como Professor Adjunto no Departamento de Estruturas e Construção Civil da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) e em 2020 ingressou como professor permanente do Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil (PPGEC/UFSM). Participa do grupo de Pesquisa em Desempenho do Sistema Construtivo, da UFSM. Desenvolve trabalhos na Linha de Pesquisa de Caracterização e Desenvolvimento de materiais e componentes para a construção civil.

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/6501148372644975

    ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5247-3235

  • Daniel Assumpção Bertuol, UFSM - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

    Possui graduação em Engenharia Química pela FURG, mestrado e doutorado em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais - PPGE3M - UFRGS. Área de concentração: Ciência e Tecnologia dos Materiais. Durante o doutorado realizou estágio sanduíche no Instituto Fraunhofer IPA - Stuttgart - Alemanha. Pós-Doutorado na Open University- Reino Unido. Atualmente é professor do curso de Engenharia Química e do Programa de Pós Graduação em Engenharia Química da Universidade Federal de Santa Maria- UFSM. Coordenador do Laboratório de Processos Ambientais (LAPAM), onde atua na prestação de serviços junto ao setor produtivo. É editor do periódico Metals- Section Board Member (MPDI) e revisor de diferentes periódicos nacionais e internacionais. Tem experiência na área de Operações Unitárias e Materiais.Atua na área de desenvolvimento de processos de reciclagem e valorização de resíduos sólidos (E-waste, biomassa, resíduos sólidos industriais), com ênfase na aplicação de técnicas de lixiviação, extração líquido-líquido, adsorção, pirólise, processamento mecânico, nanofibras e caracterização de materiais (MEV-EDS; FRX, DRX, DSC, TGA, PY/EGA/GC-MS).

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/7979212992364682

    ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4646-7816

  • Felipe José da Silva, IFRJ - INSTTUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO DE JANEIRO

    Arquiteto e Urbanista/UGF (1991) e Engenheiro Mecânico/FTESM (2009), Mestre em Engenharia Civil/UFF (1994), Doutor em Ciência dos Materiais/IME (2000), Pós-Doutorado em Ciência dos Materiais/IME (2006). Atuou no Programa de Pós-graduação em Ciência dos Materiais do IME como bolsista de Pós-doutorado PRODOC/CAPES (2002-2006) e pesquisador DTI-1A/CNPq (2007-2009). É Professor-efetivo do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro - IFRJ, desde 2010. Atualmente, é coordenador do curso de graduação em Engenharia Mecânica do IFRJ/Campus Paracambi e colabora como Docente-pesquisador no Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da UFF-TPC. Tem experiência na área de Compósitos Estruturais, com ênfase em Materiais Alternativos, atuando principalmente nos seguintes temas: Pesquisa e desenvolvimento de materiais cimentícios, álcali-ativados e geopoliméricos (green materials); Análise microestrutural e do comportamento mecânico (Ensaios destrutivos, Não-destrutivos, Mecânica da Fratura Não-Linear e Impacto balístico) e térmico (Ensaios Não-destrutivos); Sustentabilidade ambiental, Segurança do Trabalho, Eficiência energética em edificações e na Indústria, Engenharia diagnóstica, Autovistoria predial e Conforto térmico.

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/5260402975790613

    ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2632-6175

References

Andrew, R.M., 2019. Global CO₂ emissions from cement production. Earth Syst. Sci. Data 11(4), 1675–1710. https://doi.org/10.5194/essd-11-1675-2019.

Bauer, L., 2007. Estimação do coeficiente de correlação de spearman ponderado (Unpublished master's thesis). Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.

Biava, G., Depero, L.E., Bontempi, E., 2024. Accelerated carbonation of steel slag and their valorisation in cement products: a review. Span. J. Soil Sci. 14, 12908. https://doi.org/10.3389/sjss.2024.12908.

Christmas, K.M., Bassingthwaighte, J.B., 2017. Equations for O2 and CO₂ solubilities in saline and plasma: combining temperature and density dependences. J. Appl. Physiol. 122(5), 1313–1320. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.01124.2016.

Cristino, L.S., 2024. Thermal properties of electrical arc furnace slag-based materials obtained by accelerated carbonation (Unpublished doctoral dissertation).

Dancey, C., Reidy, J., 2019. Estatística sem matemática para psicologia: usando SPSS para Windows. Penso, Porto Alegre.

Digiovanni, C., Echterhof, T., 2024. Progress toward biocarbon utilization in electric arc furnace steelmaking: current status and future prospects. J. Sustain. Metall. 10, 2047–2067. https://doi.org/10.1007/s40831-024-00940-0.

Ghouleh, Z., Guthrie, R.I.L., Shao, Y., 2015. High-strength KOBM steel slag binder activated by carbonation. Constr. Build. Mater. 99, 175–183. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.09.006.

Guo, Y., 2024. A review of low-carbon technologies and projects for the global cement industry. J. Environ. Sci. 136, 682-697. https://doi.org/10.1016/j.jes.2023.01.021.

International Energy Agency (IEA), 2021. Net zero by 2050 - a roadmap for the global energy sector. OECD Publishing, Paris. https://doi.org/10.1787/c8328405-en.

IPCC, 2023: Climate Change 2023: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, H. Lee and J. Romero (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland,

184 pp., doi: 10.59327/IPCC/AR6-9789291691647.Jamovi, 2024. Version 2.3.21 [software]. https://www.jamovi.org.

Ko, M.S., Chen, Y.L., Jiang, J.H., 2015. Accelerated carbonation of basic oxygen furnace slag and the effects on its mechanical properties. Constr. Build. Mater. 98, 286–293. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.08.051.

Li, L., Zhong, X., Ling, T.C., 2022. Effects of accelerated carbonation and high temperatures exposure on the properties of EAFS and BOFS pressed blocks. J. Build. Eng. 45, 103504. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103504.

Loodts, V., Rongy, L., De Wit, A., 2014. Impact of pressure, salt concentration, and temperature on the convective dissolution of carbon dioxide in aqueous solutions. Chaos 24(4), 043120. https://doi.org/10.1063/1.4897913.

Luo, Z., Wang, Y., Yang, G., Ye, J., Zhang, W., Liu, Z., Mu, Y., 2021. Effect of curing temperature on carbonation behavior of steel slag compacts. Constr. Build. Mater. 291, 123369. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.123369.

Mo, L., Hao, Y., Liu, Y., Wang, F., Deng, M., 2019. Preparation of calcium carbonate binders via CO₂ activation of magnesium slag. Cem. Concr. Res. 121, 81–90. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.04.012.

Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), 2019. NBR 7215 - Cimento Portland - Determinação da resistência à compressão de corpos de prova cilíndricos. ABNT, Rio de Janeiro.

Pan, S.Y., Liu, H.L., Chang, E.E., Kim, H., Chen, Y.H., Chiang, P.C., 2016. Multiple model approach to evaluation of accelerated carbonation for steelmaking slag in a slurry reactor. Chemosphere 154, 63–71. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.03.059.

Pan, S.Y., Chen, Y.H., Fan, L.S., Kim, H., Gao, X., Ling, T.C., Chiang, P.C., Pei, S.L., Gu, G., 2020. CO₂ mineralization and utilization by alkaline solid wastes for potential carbon reduction. Nat. Sustain. 3(5), 399–405. https://doi.org/10.1038/s41893-020-0486-9.

Pczieczek, A., Effting, C., Gomes, I.R., Schackow, A., Henning, E., 2019. Statistical analysis of mechanical properties of mortars with fly ash and waste tire rubber. Rev. IBRACON Estrut. Mater. 12(4), 790–811. https://doi.org/10.1590/s1983-41952019000400004.

Renforth, P., Tian, S., Xu, Z., Nielsen, H., Pragana, J.P.M., 2024. Carbon dioxide removal could result in the use of lower-grade iron ore in a decarbonized net-negative emission steel industry. J. Clean. Prod. 468, 142987. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.142987.

Srivastava, S., Snellings, R., Cool, P., 2021. Clinker-free carbonate-bonded (CFCB) products prepared by accelerated carbonation of steel furnace slags: a parametric overview of the process development. Constr. Build. Mater. 303, 124556. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124556.

Sun, X., Liu, J., Zhao, Y., Zhao, J., Li, Z., Sun, Y., Qiu, J., Zheng, P., 2022. Mechanical activation of steel slag to prepare supplementary cementitious materials: comparative research based on the particle size distribution, hydration, toxicity assessment and carbon dioxide emission. J. Build. Eng. 60, 105114. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105114.

United Nations Environment Programme (UNEP), 2022. 2022 global status report for buildings and construction: towards a zero-emission, efficient and resilient buildings and construction sector. UNEP, Nairobi.

Wang, H., Lawal, T., Achour, S.H., Sheng, K., Okuno, R., 2023. Aqueous nanobubble dispersion of CO₂ at pressures up to 208 bar. Energy Fuels 37(24), 19726–19737. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c03660.

Yi, Y.R., Lin, Y., Du, Y.C., Bai, S., Ma, Z., Chen, Y., 2021. Accelerated carbonation of ladle furnace slag and characterization of its mineral phase. Constr. Build. Mater. 276, 122235. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.122235.

Yildirim, I.Z., Prezzi, M., 2011. Chemical, mineralogical, and morphological properties of steel slag. Adv. Civ. Eng. 2011, 463638. https://doi.org/10.1155/2011/463638.

Zhong, X., Li, L., Jiang, Y., Ling, T.C., 2021. Elucidating the dominant and interaction effects of temperature, CO₂ pressure and carbonation time in carbonating steel slag blocks. Constr. Build. Mater. 302, 124158. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124158.

Downloads

Published

2026-10-28

Issue

Vol. 12 No. 4 (2026): v. 12 n. 4 (2026): Edição regular

Section

Científica

License

Copyright (c) 2026 Heliton Weide, André Lübeck, Alexandre Silva de Vargas, Daniel Assumpção Bertuol, Felipe José da Silva

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Creative Commons Copyright Notice

Attribution 4.0 International

How to Cite

SUSTAINABLE HARDENING OF EAF SLAG MORTARS BY ACCELERATED CARBONATION: STATISTICAL OPTIMIZATION: ENDURECIMENTO SUSTENTÁVEL DE ARGAMASSAS COM ESCÓRIA FEA POR CARBONATAÇÃO ACELERADA: OTIMIZAÇÃO ESTATÍSTICA. (2026). Mix Sustentável, 12(4), 19-51. https://doi.org/10.29183/2447-3073.MIX2026.v12.n1.%p

Most read articles by the same author(s)

1 2 > >>