Statistical optimization of pervious concrete pavement containing fly ash and engineered iron oxide nanoparticles for runoff quality and quantity controls

Abstract

Portland cement pervious concrete (PCPC) usage has increased due to its potential to reduce storm water runoff and related pollution. Partial Portland cement substitution by fly ash (FA) in concrete production has the advantages of reducing cost, carbon dioxide production associated with Portland cement production and burden of solid waste management. In this regard, a cementitious paste was characterized and a PCPC mixture was optimized by Response Surface Methodology. Also the PCPC was tested for phosphorus removal capacity. As part of the characterization of cementitious paste, spread percentage and setting time were measured. The addition of engineered iron oxide nanoparticles coated with surfactant (ENPFe-surf) increased both the spread percentage and setting time. Also the ENPFe-surf addition slightly increased weight gain when exposed to sulfuric acid, but slightly decreased weight loss when exposed to acetic acid. It is possible that ENPFe-surf facilitates the production of calcium silicate hydrate (C-S-H gel), iron-substituted monosulfate hydrate, or iron-substituted ettringite. The specimens exposed to sulfuric acid had higher compressive strength values compared to those exposed to acetic acid for 90 days. A two-level central composite factorial design was used to investigate the effects of water to powder ratio (W/P, 0.34-0.40), percentage of cement substitution by FA (FA/B, 0.1-0.4) and ENPFe-surf to powder ratio (ENP/B, 0.03-0.05) on compressive strength, permeability, void content and hardened density of pervious concrete. Limestone gravels passing through 9.5-mm sieve but retained on 4.75-mm sieve were used. The results showed compressive strength, permeability, void content and hardened density in the ranges of 2.5-13.5 MPa, 5.3-17.4 mm/sec, 12-22 % and 2120-2360 kg/m3, respectively. W/B and FA/B had significant impacts on all the properties of PCPC studied, whereas ENP/B produced significance only for the compressive strength. Optimal region was found for the desired PC parameters at W/B 34%, FA/B 15% and ENP/B 5%. The PCPC was capable of removing phosphorus by adsorption and/or precipitation. The PCPC specimens with ENPFe-surf had greater removal capacity so it is believe that it facilitated phosphate removal. There was 7% and 10% difference between the first-order phosphorus removal constant obtained for PCPC specimens with or without ENPFe-surf. Similarly, there was between 6% to 10% difference for the Freundlich isotherm Kf coefficients obtained for control samples compared to the sample that had FA and ENPFe-surf added. The dissolution of calcium hydroxide from PCPC was believed to facilitate phosphorus precipitation probably as amorphous calcium phosphorus or hydroxyapatite. Fenton regeneration increased permeability of bioclogged PCPC specimens. ENPFe-surf addition did not play a role in Fenton oxidation. Instead, iron species containing FA were believed to work as the iron catalyst for Fenton oxidation. Compressive strength was not negatively affected despite string oxidation reaction during Fenton regeneration.

El uso de pavimentos de hormigón permeable (PCPC por sus siglas en inglés) ha aumentado debido a su potencial a reducir escorrentías y la contaminación relacionada a ella. La sustitución parcial del cemento Portland por cenizas volantes en la producción de hormigón tiene las ventajas de reducir costos, la producción de dióxido de carbono relacionado a la producción de cemento Portland y cargas al manejo de desperdicios sólidos. En este sentido una pasta cementicia fue caracterizada y una mezcla de PCPC fue optimizada por Metodología de Superficies de Respuestas (RSM). También se midió la capacidad de PCPC de remover fósforo. El porcentaje de propagación y el tiempo de fraguado fueron medidos como parte de la caracterización de la pasta cementicia. La adición de nanopartículas de hierro oxidado recubiertas de surfactante (ENPFe-surf) aumento el porcentaje de propagación y el tiempo de fraguado. La adición de ENPFe-surf también aumento ligeramente la ganancia de peso de las pasta al ser expuestas a ácido sulfúrico pero disminuyo ligeramente su peso al ser expuestas a ácido acético. Es posible que ENPFe-surf facilite la producción del gel C-S-H, etringita (sustitución por hierro) y monosulfato hidratado (sustitución por hierro). Las especies expuestas a ácido sulfúrico obtuvieron valores en compresión mecánica en comparación con aquellas expuestas a ácido acético por 90 días. Un diseño compuesto central de dos niveles fue usado para investigar los efectos que la razón agua a conglomerante (W/B, 0.34-0.40), cantidad de cemento sustituido por cenizas volantes (FA/B, 0.1-0.4) y cantidad de ENPFe-surf añadida por cantidad de conglomerante (ENP/B, 0.03-0.05) tienen en compresión mecánica, permeabilidad, contenido de espacios libres y densidad. Gravilla de caliza que pasa a través del tamiz de 9.5 mm pero se retiene en el de 4.75 mm fue usada. Los resultados mostraron compresión mecánica, permeabilidad, contenido de espacios libres y densidad en los rangos de 2.5-13.5 MPa, 5.3-17.4 mm/s, 12-22% y 2120-2360 kg/m3, respectivamente. Hubo un impacto significativo en todas las propiedades de PCPC estudiadas debido a W/B y FA/B, mientras que ENP/B produjeron un impacto significativo solo en la tensión mecánica. Una región con razones óptimas fueron encontradas para los parámetros deseados en W/B 0.34, FA/B 0.15 y ENP/B 0.05. El PCPC es capaz de remover fosfato por adsorción y precipitación. Las especies de PCPC con ENPFe-surf tuvieron una mayor capacidad de remoción por lo que se cree que facilitan la remoción de fosfato. Había una diferencia entre 10 y 13% entre las constantes de remoción de fosfato de primer orden obtenido por las especies con o sin ENPFe-surf. Similarmente había entre 6% y 10% de diferencia entre los coeficientes Kf de la isoterma de Freundlich comparando muestras de control con la muestra que contenía FA y ENPFe-surf. Se cree que la disolución de hidróxido de calcio de PCPC facilita la precipitación de fosfato probablemente como fosfato de calcio amorfo. Regeneración Fenton aumenta la permeabilidad de muestras PCPC biobloqueadas. La adición de ENPFe-surf no mostró importancia en la oxidación Fenton. En cambio se cree que las especies de hierro que se encuentran en las cenizas volantes sirvieron de catalizador para la oxidación Fenton. La compresión mecánica no fue afectada negativamente a pesar de fuerte reacción de oxidación durante la regeneración Fenton.