Alkali-activated and hybrid materials: Alternative to Portland cement as a storage media for solar thermal energy

Abstract

This study is part of the research line that sees it necessary to develop materials that are alternatives for Portland cement (PC), using industrial by-products such as blast furnace slag and fly ash. This line arises because of the serious environmental consequences suffered by our planet throughout many decades, which have led the cement industry to reduce the amount of CO2 emitted in the production of PC, since it is a highly polluting process. The chemical and physical properties of the materials were studied. In this way, the study of the thermal properties is interesting to test the feasibility of the mortars to use them as solid media to storage thermal energy, since most of the research focus on the thermal properties of concrete is oriented toward fire resistance. Storing solar thermal energy improves the operation of solar power thermal plants. It is being studied that the use of concrete (composed of PC) contributes efficiently to concentrated solar power (CSP) technology. To avoid the use of PC due to environmental concerns, alkaline-activated mortars are manufactured with blast furnace slag using alkaline solutions such as sodium hydroxide (NaOH) and commercial sodium silicate (SiO2/Na2O = 0.8), as well as hybrid mortars using 80% fly ash or blast furnace slag and 20% PC. After experimental analysis and a simulation to measure the conduction within the mortars through a commercial Computational Fluid Dynamic software (CFD, ANSYS Fluent), it can be concluded that the mechanical and thermal properties of most of the alternative mortars manufactured in this study are better than the ones obtained in the PC. Most notably, the slag alkaline-activated mortar increases those properties significantly. Resumen: Este estudio se enmarca en la línea de investigación que ve necesario el desarrollo de materiales alternativos al cemento Portland (PC), utilizando subproductos industriales como las escorias de alto horno y las cenizas volantes. Esta línea surge debido a las graves consecuencias medioambientales que ha sufrido nuestro planeta a lo largo de muchas décadas, que han llevado a la industria cementera a reducir la cantidad de CO2 emitida en la producción de PC, ya que es un proceso altamente contaminante.Se estudiaron las propiedades químicas y físicas de los materiales. Así, el estudio de las propiedades térmicas es interesante para comprobar la viabilidad de los morteros para utilizarlos como medios sólidos de almacenamiento de energía térmica, ya que la mayor parte de las investigaciones centradas en las propiedades térmicas del hormigón están orientadas a la resistencia al fuego. El almacenamiento de energía térmica solar mejora el funcionamiento de las centrales termosolares. Se está estudiando que el uso del hormigón (compuesto de PC) contribuye eficazmente a la tecnología de energía solar concentrada (CSP). Para evitar el uso del PC por motivos medioambientales, se fabrican morteros activados con escoria de alto horno utilizando soluciones alcalinas como el hidróxido de sodio (NaOH) y el silicato de sodio comercial (SiO2/Na2O = 0,8), así como morteros híbridos que utilizan un 80% de cenizas volantes o escoria de alto horno y un 20% de PC. Tras el análisis experimental y una simulación para medir la conducción dentro de los morteros mediante un software comercial de dinámica de fluidos computacional (CFD, ANSYS Fluent), se puede concluir que las propiedades mecánicas y térmicas de la mayoría de los morteros alternativos fabricados en este estudio son mejores que las obtenidas en el PC. En particular, el mortero activado alcalinamente con escoria aumenta significativamente esas propiedades.

Keywords

• Materiales de construcción alternativos
• Materiales híbridos
• Energía térmica solar