Use of steel residue in the production of sustainable concrete: a performance analysis

Authors

  • Claudia Teles

    Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

    https://orcid.org/0000-0002-5639-389X

    Author

  • Geilma Lima Vieira

    Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

    Author

  • Lilian Favarato Carrareto

    Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

    https://orcid.org/0000-0001-5973-746X

    Author

  • Mariana Zani Pagio

    Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

    Author

  • Janaína dos Santos Vazzoler

    Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

    https://orcid.org/0009-0000-0165-4290

    Author

DOI:
https://doi.org/10.47456/bjpe.v11i3.48777
Keywords:
Durability, Chloride penetration, Mechanical properties, EAF dust, Shredder's residue
Abstract

This research aimed to evaluate the performance of concrete produced with the addition of two types of residues — FEA powder and Shredder residue — at levels of 3% and 10%, and with two different water/binder ratios (0.45 and 0.60). The influence of the incorporation of each residue type into the concrete was assessed through measurements of specific mass, air content, capillary absorption, corrosion potential of embedded steel bars, chloride penetration depth (via colorimetric method), and leaching of contaminants. Although the use of Shredder residue reduced the capillary absorption of the concretes as the dosage increased, it did not provide significant benefits in corrosion protection. On the other hand, the addition of FEA powder yielded good results: it reduced capillary absorption, enhanced corrosion protection in concretes with 10% residue addition, and slightly reduced it in those with 3%, although values were very close to the reference concretes. No contaminant leaching was observed in any of the produced concretes, indicating that potentially hazardous chemical compounds were stabilized within the cementitious matrix.

Author Biographies
  1. Claudia Teles, Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

    Possui graduação em Engenharia Florestal pela UFLA-MG (1995), mestrado em Engenharia Ambiental (1999), doutorado em Engenharia Elétrica (2007), e pós-doutorado em Engenharia Civil (2024) em Materiais e componentes de construção pela UFES. Professora adjunta do Curso de Engenharia de Produção da Universidade Federal do Espírito Santo (CEUNES -Campus São Mateus-ES). Tem experiência nas áreas de Ciência de Materiais e Engenharia de Métodos, atuando principalmente nos seguintes temas: Desenvolvimento de Novos Materiais com a Utilização de Resíduos e Gestão da Produção em Engenharia de Produção. 

  2. Geilma Lima Vieira, Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

    É professora e pesquisadora da Universidade Federal do Espírito Santo. Engenheira Civil de formação acadêmica. Doutora em engenharia civil com ênfase em Construção Civil pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Tem pós-doutorado pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul na área de desenvolvimento de novos materiais a partir do aproveitamento de resíduos. É docente permanente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e coordena o Laboratório de Ensaios em Materiais de Construção (LEMAC). Orienta trabalhos de conclusão de curso de graduação, mestrado, iniciação científica e avaliadora de periódicos indexados, nacionais e internacionais. É autora de mais de mais de 130 trabalhos publicados, em congressos, periódicos e eventos, nacionais e internacionais. Consultora ad hoc de agências de fomento à pesquisa no país. Atua como assessora e consultora técnica para empresas de construção civil na área de materiais de construção civil, patologia das construções, perícias de engenharia, boas práticas de execução e controle e tecnológico de estruturas de concreto e desempenho das edificações. 

  3. Lilian Favarato Carrareto, Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

    Mestranda em Engenharia Civil, na área de Construção Civil, na Universidade Federal do Espírito Santo (atual); graduada em Engenharia Civil pela Faculdade Brasileira MULTIVIX (2017) com bolsa parcial do Programa Universidade para Todos (ProUni) e Técnica em Edificações pelo Instituto Federal do Espírito Santo, Campus Colatina (2012). Experiência profissional de sete meses como estagiária na Gerência de Projetos e Programas Estratégicos na Companhia Espírito Santense de Saneamento (Cesan). Nível de inglês intermediário, com boa compreensão em leitura. Atualmente desenvolve pesquisa no mestrado na área de coprodutos siderúrgicos incorporados em matrizes cimentícias, sendo bolsista financiada pela empresa ArcelorMittal.

  4. Mariana Zani Pagio, Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

    Mestra na área de Construção Civil na Universidade Federal do Espírito Santo e Graduada em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo. Participou dos Programas de Pesquisa como Bolsista de Iniciação Científica - CNPq (2015 - 2016), Bolsista de Iniciação Científica - CNPq (2016 - 2017) e Voluntário de Iniciação Científica - CNPq (2017 - 2018), sendo todos os Projetos na área de Materiais de Construção Civil. Atualmente trabalha na iniciativa privada como Analista de Engenharia no acompanhamento de obras residenciais e logísticas com foco no custo, prazo e atendimento à Norma de Desempenho.

  5. Janaína dos Santos Vazzoler, Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

    Mestra em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (2015), com pesquisa a respeito das propriedades pozolânicas do Resíduo do Beneficiamento de Rochas Ornamentais termicamente tratado. Possui graduação em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (2013).

References

Al-Zaid, R. Z., Al-Sugair, F. H., & Al-Negheimish, A. L. (1997). Investigation of potential uses of electric arc furnace dust (EAFD) in concrete. Cement and Concrete Research, 27(2), 267-278. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(96)00204-9

American Society for Testing and Materials. (2016). ASTM C597-16: Standard Test Method for Pulse Velocity Through Concrete. ASTM International. https://www.astm.org/c0597-16.html

Associação Brasileira de Normas Técnicas. (2015). NBR 12653: Materiais pozolânicos – Requisitos. Recuperado de https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=319105

Associação Brasileira de Normas Técnicas. (2015). NBR 5738: Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos ou prismáticos de concreto - Procedimento. Recuperado de https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=329309

Associação Brasileira de Normas Técnicas. (2018). NBR 5739: Concreto – Ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos. Recuperado de https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=394080

Associação Brasileira de Normas Técnicas. (2011). NBR 7222: Concreto e argamassa – Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos de prova cilíndricos. Recuperado de https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=319098

Associação Brasileira de Normas Técnicas. (2009). NBR 15630: Argamassa para assentamento e revestimento de paredes e tetos – Determinação do módulo de elasticidade dinâmico. Recuperado de https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=320289

Associação Brasileira de Normas Técnicas. (2012). NBR 9779: Argamassa e concreto endurecidos – Determinação da absorção de água por capilaridade. Recuperado de https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=27572

British Standards Institution. (1990). BS 1881: Part 203 – Testing Concrete – Recommendations for the measurement of dynamic modulus of elasticity. Recuperado de https://www.bsigroup.com/

Caetano, J. A., Schalch, V., & Pablos, J. M. (2020). Characterization and recycling of the fine fraction of automotive shredder residue (ASR) for concrete paving blocks production. Clean Technologies and Environmental Policy, 22(4), 835-847. https://doi.org/10.1007/s10098-020-01825-y

Caetano, J. A. (2016). Reaproveitamento do resíduo Terra de Shredder através da técnica de solidificação/estabilização em matrizes de cimento Portland para aplicação na construção civil (Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo). Recuperado de https://doi.org/10.11606/D.18.2017.tde-24032017-104055

Câmara, G. G. (2017). Caracterização das frações do resíduo do triturador de sucata de uma siderúrgica (Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul). Recuperado de https://lume.ufrgs.br/handle/10183/180144

Fares, G., Al-Zaid, R. Z., Fauzi, A., Alhozaimy, A. M., Al-Negheimish, A. I., & Khan, M. (2016). Performance of optimized electric arc furnace dust-based cementitious matrix compared to conventional supplementary cementitious materials. Construction and Building Materials, 112, 210–221. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.02.068

Figueiredo, J. D. C. (2016). Aplicação de uma fração do resíduo do Shredder na fabricação de blocos cerâmicos estruturais (Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul). Recuperado de https://lume.ufrgs.br/handle/10183/163457

Hakeem, I. Y., Hosen, A., Tayeh, B. A., & Alhamami, A. (2023). Innovative Ultra-High Performance Concrete (UHPC) incorporating oil ash and electric arc furnace dust. Case Studies in Construction Materials, 19, e01843. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e01843

Ledesma, E. F., Jiménez, J. R., Ayuso, J., Fernández, J. M., & de Brito, J. (2017). Experimental study of the mechanical stabilization of electric arc furnace dust using fluid cement mortars. Journal of Hazardous Materials, 326, 26–35. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2016.11.051

Helene, P. & Terzian, P. (1992). Manual de dosagem e controle do concreto. São Paulo: PINI.

Lozano-Lunar, A., da Silva, P. R., de Brito, J., Álvarez, J. I., Fernández, J. M., & Jiménez, J. R. (2019). Performance and durability properties of self-compacting mortars with electric arc furnace dust as filler. Journal of Cleaner Production, 222, 59–69. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.02.145

Machado, J. G. M. S., Brehm, F. A., Moraes, C. A. M., Santos, C. A., Vilela, A. C. F., & Cunha, J. B. M. (2006). Chemical, physical, structural and morphological characterization of the electric arc furnace dust. Journal of Hazardous Materials, 136(3), 953–960. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.01.044

Magalhães, M. S., Faleschini, F., Pellegrino, C., & Brunelli, K. (2017). Cementing efficiency of electric arc furnace dust in mortars. Construction and Building Materials, 157, 141–150. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.09.074

Magalhães, M. S., Faleschini, F., Pellegrino, C., & Brunelli, K. (2019). Influence of alkali addition on the setting and mechanical behavior of cement pastes and mortars with electric arc furnace dust. Construction and Building Materials, 214, 413-419. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.04.141

Mantovani, F., Kulakowski, M. P., & Moraes, C. A. M. (2014). Viabilidade do uso de pó de aciaria para pigmentação de concreto. In 45º Seminário de Aciaria – Internacional (pp. 255-262). Porto Alegre, RS. Recuperado de https://www.alacero.org/sites/default/files/seminario/ponencias/ponencia-aciaria-2014-Fabio%20Mantovani.pdf

Maslehuddin, M., Awan, F. R., Shameem, M., Ibrahim, M., & Ali, M. R. (2011). Effect of electric arc furnace dust on the properties of OPC and blended cement concretes. Construction and Building Materials, 25(1), 308-312. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.06.024

Nair, A. T., Mathew, A., Archana, A. R., & Akbar, M. A. (2022). Use of hazardous electric arc furnace dust in the construction industry: A cleaner production approach. Journal of Cleaner Production, 377, 134282. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134282

Nikolic, I., Durovic, D., Blecic, D., Zejak, R., Karanovic, L., Mitsche, S., & Radmilovic, V. R. (2013). Geopolymerization of coal fly ash in the presence of electric arc furnace dust. Minerals Engineering, 49, 24–32. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2013.04.007

Rossetti, V. A., Di Palma, L., & Medici, F. (2006). Production of aggregate from non-metallic automotive shredder residues. Journal of Hazardous Materials, 137(2), 1089–1095. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.03.048

Rubio-Cintas, M. D., Barnett, S. J., Pérez-García, F., & Parrón-Rubio, M. E. (2019). Mechanical-strength characteristics of concrete made with stainless steel industry wastes as binders. Construction and Building Materials, 204, 675–683. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.01.166

Selvakumar, M., Muthu, S., Laksmi, K. B., Srinivasan, D., & Santhosh, S. (2023). Properties of high-performance concrete with automobile grinding waste as replacement of fine aggregate. Materials Today: Proceedings, 80(2), 1291–1296. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.01.059

Silva, M. G., Battagin, A. F., & Gomes, V. (2017). Cimentos Portland com adições minerais. In G. C. Isaia (Ed.), Materiais de construção civil (3ª ed., pp. 791–823). IBRACON.

Simonyan, L. M., Alpatova, A. A., & Demidova, N. V. (2019). The EAF dust chemical and phase composition research techniques. Journal of Materials Research and Technology, 8(2), 1601–1607. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2018.10.002

Souza, C. A. C., Machado, A. T., Lima, L. R. P. A., & Cardoso, R. J. C. (2010). Stabilization of electric-arc furnace dust in concrete. Materials Research, 13(4), 513–519. Recuperado de https://www.scielo.br/j/mr/a/5KyP3b47BktZ5GJDtSWjGDC/?lang=en

Stathopoulos, V. N., Papandreou, A., Kanellopoulou, D., & Stournaras, C. J. (2013). Structural ceramics containing electric arc furnace dust. Journal of Hazardous Materials, 262, 91-99. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2013.08.028

Skaf, M., Manso, J. M., Aragon, A., Fuente-Alonso, J. A., & Ortega-Lopez, V. (2017). EAF slag in asphalt mixes: A brief review of its possible use. Resources, Conservation and Recycling, 120, 176-185. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2016.12.009

UNI – Unificazione Nazionale Italiana. (1970). UNI 7928: Determinazione della penetrabilità dello ione cloruro. Italian Standard.

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Three versions of a scientific article cover show the same background: fresh concrete being poured from a container into a round mold at a construction site. The surface is rough and shows sunlight reflecting off the wet concrete. In the lower right corner, there is a colorful hot air balloon logo with the ISSN 2447-5580 and the text “Brazilian Journal of Production Engineering.” Each version presents the article title and authors centered in a gray banner, in different languages: English: USE OF STEEL RESIDUE IN THE PRODUCTION OF SUSTAINABLE CONCRETE: A PERFORMANCE ANALYSIS Teles, C., Vieira, G. L., Carracreto, L. F., Pagio, M. Z., & Vazzoler, J. dos S. (2025)
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Published
2025-08-05
Issue
Vol. 11 No. 3 (2025): Regular Issue (July - September)
Section
ENVIRONMENTAL ENGINEERING AND SUSTAINABILITY
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How to Cite

Teles, C., Vieira, G. L., Carrareto, L. F., Pagio, M. Z., & Vazzoler, J. dos S. (2025). Use of steel residue in the production of sustainable concrete: a performance analysis. Brazilian Journal of Production Engineering, 11(3), 152-167. https://doi.org/10.47456/bjpe.v11i3.48777