Optimization of pervious concrete incorporating coal fly ash, iron-oxide nanoparticles and water reducing admixtures and its application for the removal of nutrients and fecal coliforms

Abstract

Physicomechanical characteristics and durability of the cement pastes containing fly ash (FA) and iron-oxide nanoparticles (NI) showed that workability was reduced with the FA addition, although it was counterbalanced when NI was added. FA substitution enhanced the durability of the hardened pastes by gaining weight and compressive strength when exposed to tap water. However, in acid solutions, the FA substitution produced a negative effect on the durability of the hardened pastes. In comparison, the addition of NI alone increased the compressive strength of the hardened pastes exposed to acid solutions. Concrete is the most widely used engineering construction material. There are different cement mixtures with special properties and chemical compositions that are made to specifications for specific applications. Concrete properties such as strength and durability mostly depend on its internal microstructure, which can be modified and improved by adding mineral admixtures and other additives. Several experiments were conducted to assess the physicomechanical and durability properties of cement pastes containing different additives, optimize the combination of different mixture components and, make a reactive Portland cement pervious concrete (PCPC) and evaluate its mechanical and hydrological capabilities, as well as the FC inactivation and nutrients removal from water. Different curing periods during the development of compressive strength of the cement pastes with FA and NI as admixtures showed that lower compressive strength (CS) was achieved with the increase of FA at early periods of curing. On the other hand, the CS was improved after 90 days of curing. The NI only contribute to the CS at late curing ages. The effect of cement type on the spread percentage (SP) and the compressive strength at 28 days of curing was also evaluated in the cement pastes. The optimum mix ratio of two cement types was obtained for a desired SP and the maximum possible CS. The addition of NI to the mixtures did not play a significant role in the development of the CS at 28 days of curing. The optimum variable settings for the Type IP cement were at 35.1 % W/B, 28.5% FA/B and 1.6% NI/B, while for the Type GU cement the settings were obtained at 35.1% W/B, 40% FA/B and 0.55% NI/B. Slightly higher predictive compressive strength at 64.72 MPa for the Type GU cement was obtained, while for the Type IP a 62.78 MPa was predicted. Quadratic and interaction effects of the factors resulted in playing a significant role in the development of both of the prediction models of the dependent responses. The effect of aggregate type and grading size on the manufacture of PCPC and its performance permeability and CS were evaluated. Gravels retained in the sieves with smaller opening size were better for the PCPC production since a higher compressive strength was obtained. At the same time the permeability was kept between the ranges established for PCPC by the American Concrete Institute. Partial clogging due to the drainage of the binder materials was observed for some of the specimens due to an excess in the W/B ratios and the reduction of FA/B in the PCPC. A green pervious concrete surface (GPCS) capable of removing contaminants from water was developed in a four factor, two level central composite design to investigate the main, quadratic and interaction effects of the independent variables on the permeability and compressive strength. The increment of W/B and the reduction of FA/B independent of the settings of NI/B and WR/B resulted in a decrease of the permeability. The addition of high amounts of FA/B required a large addition NI/B in order to achieve a compressive strength higher than 20.7 MPa, while lower additions of FA/B were found to require less amount of NI/B to achieve similar CS’s. Phosphorus and FC removals were achieved at a high pH, with average values for FC inactivation of 74.2, 67.9 and 95.4% at 2 hour contact time, and for phosphorus removal of 92.6, 84.6 and 100% for Opt A, Opt B and Control, respectively. The increase of contact time improved the nitrate reduction, achieving removals up to up to 79.0, 48.8 and 54.3% by the Opt A, Opt B and Control, respectively. Weight increment in all GPCS’s was observed when exposed to either water or sulfuric acid, although the increment was more noticeable for the specimens placed in water. On the contrary, GPCS placed in the acetic acid solution resulted in a rapid weight loss from the beginning of the experiment. The simultaneous addition of FA and NI resulted in a higher compressive strength for the GPCS even after the exposure to acids.

Las características físico-mecánicas y la durabilidad de pastas de cemento que contienen cenizas volantes (FA) y nanopartículas de óxido de hierro (NI) mostraron que la manejabilidad se redujo con la adición de FA, aunque fue contrarrestada cuando se le añadió NI. La sustitución de FA mejoró la durabilidad de las pastas endurecidas mediante el aumento de peso y resistencia a la compresión cuando se expusieron al agua de grifo. Sin embargo, en soluciones ácidas, la sustitución de FA produjo un efecto negativo sobre la durabilidad de las pastas endurecidas. En comparación, la adición de NI solo aumentó la resistencia a la compresión de las pastas endurecidas expuestas a soluciones ácidos. El hormigón es el material de construcción de ingeniería más ampliamente utilizado. Hay diferentes mezclas de cemento con propiedades especiales y composiciones químicas que se realizan para especificaciones y aplicaciones específicas. Las propiedades del hormigón tales como resistencia y durabilidad dependen principalmente de su microestructura interna, que puede ser modificada y mejorada por la adición de aditivos minerales, entre otros. Se realizaron varios experimentos para evaluar las propiedades físico-mecánicas y de durabilidad de las pastas de cemento que contienen diferentes aditivos, optimizar la combinación de diferentes componentes de la mezcla, hacer un hormigón permeable de cemento Portland reactivo (PCPC) y evaluar sus capacidades mecánicas e hidrológicas, así como la inactivación de coliformes fecales (FC) y la remoción de nutrientes del agua. Diferentes períodos de curado durante el desarrollo de la resistencia a la compresión de las pastas de cemento con FA y NI mostraron que la menor resistencia a la compresión (CS) se consiguió con el aumento de FA en los primeros períodos de curado. Por otro lado, la CS se mejoró después de 90 días de curado. El NI sólo contribuyó a la CS a edades de curado tardías. El efecto del tipo de cemento en el porcentaje de propagación (SP) y la resistencia a la compresión a los 28 días de curado también se evaluó en las pastas de cemento. La relación de mezcla óptima de los dos tipos de cemento se obtuvo para un SP deseado y la máxima posible CS. La adición de NI a las mezclas no desempeñó un papel importante en el desarrollo de la CS a los 28 días de curado. Los valores de las variables óptimas para el cemento Tipo IP fueron 35.1% W/B, 28.5% FA/B y 1.6% NI/B, mientras que para el cemento Tipo GU los porcentajes fueron 35.1% W/B, 40% FA/B y 0.5% NI/B. La resistencia a la compresión de predicción para el cemento Tipo GU fue ligeramente mayor, con un valor de 64.72 MPa mientras que para el Tipo IP se predijeron 62.78 MPa. Los efectos cuadráticas y de interacción de los factores resultaron jugar un papel significativo en el desarrollo de ambos modelos de predicción de las respuestas dependientes. Se evaluó el efecto del tipo de agregado y la clasificación por tamaños en la fabricación de PCPC y en los resultados de permeabilidad y CS. La grava retenida en los tamices con tamaño de apertura más pequeña era mejor para la producción PCPC ya que se obtuvo una resistencia a la compresión superior. Al mismo tiempo, la permeabilidad se mantuvo entre los rangos establecidos para PCPC por el American Concrete Institute (ACI). Se observó obstrucción parcial de los vanos del hormigón permeable debido al drenaje de los materiales aglutinantes para algunas de las muestras debido a un exceso en las proporciones W/B y la reducción de FA/B en el PCPC. Una superficie verde de hormigón permeable (GPCS) capaz de eliminar contaminantes del agua fue desarrollada en un diseño central de cuatro factores y dos niveles para investigar los efectos principales, cuadráticos y de interacción de las variables independientes sobre la permeabilidad y la resistencia a la compresión. El incremento de W/B y la reducción de FA/B independientemente de los ajustes de NI/B y WR/B resultó en una disminución de la permeabilidad. La adición de altas cantidades de FA/B requirió de una gran adición de NI/B con el fin de lograr una resistencia a la compresión superior a 20.7 MPa, sin embargo se encontró que adiciones inferiores de FA/B requerían menores cantidades de NI/B para lograr similares resultados de CS. La remoción de fosfatos FC se lograron a un pH alto, con valores promedios de inactivación de FC de 74.2, 67.9 y 95.4% para un tiempo de contacto de 2 horas, mientras que para la remoción de fosfato se obtuvieron valores de 92.6, 84.6 y 100% para la muestras Opt A, Opt B y Control, respectivamente. El aumento del tiempo de contacto mejoró la remoción de nitratos, logrando remociones de hasta 79.0, 48.8 y 54.3% en la muestras Opt A, Opt B y Control, respectivamente. Se observó un incremento de peso en todos los de GPCS cuando se expusieron al agua o ácido sulfúrico, aunque el incremento fue más notable para las muestras colocadas en agua. Por el contrario, los GPCS colocados en la soluciones de ácido acético obtuvieron una rápida pérdida de peso desde el inicio del experimento. La adición simultánea de FA y NI resultó en una mayor resistencia a la compresión para la GPCS incluso después de la exposición a los ácidos.