Influência da formação de pozolanas com adição de metacaulim em concreto de alta resistência

The need to build durable structures and resistant to harsh environments enabled the development of high strength concrete, these activities generate a high cement consumption, which implies factor in CO2 emissions. Often the desired strength is not achieved using only the cement composition. This study aims to evaluate the influence of pozzolans with the addition of metakaolin on the physical mechanics of high strength concrete comparing them with the standard formulation. Assays were performed to characterize the aggregates according to NBR 7211, evaluation of cement and coarse aggregate through the trials of petrography (NBR 15577-3/08) and alkali-aggregate reaction (NBR 15577-05/08). Specimens were fabricated according to NBR 5738-1/04 with additions of 0%, 4%, 6%, 8% and 10% of metakaolin for cement mortars CP V in the formulations. For evaluation of the concrete hardened in fresh state and scattering assays were performed and compressive strength in accordance with the NBR 7223/1992 and NBR 5739-8/94 respectively. The results of the characterization of aggregates showed good characteristics regarding size analysis and petrography, as well as potentially innocuous as the alkali-aggregate reaction. As to the test of resistance to compression, all the formulations with the addition of metakaolin showed higher value at 28 days of disruption compared with the standard formulation. These results present an alternative to reduce CO2 emissions, and improvements in the quality and durability of concrete, because the fine particle size of metakaolin provides an optimal compression of the mass directly influencing the strength and rheology of the dough

Utilização de rejeitos de Caulins na Síntese de Zeólita A

Three studies were performed using tailings kaolin for the synthesis of zeolite A. The first synthesis of zeolite A was performed using a kaolin waste generated from the beneficiation of kaolin for paper production process was studied. The kaolin waste was thermally activated at a temperature range of 550-800°C. For comparison was performed a synthesis pattern of Zeolite A(procedure IZA). The prepared materials were characterized by 27Al MAS NMR, X-ray diffraction and scanning electron microscopy with microprobe rays. The pre-tramento proved to be the most appropriate and suitable temperatures are between 600 and 700°C. Observed the formation of zeolite A in all materials, reaching 52% crystallinity, and the presence of phase sodalite and amorphous material. The second study was the use of a highly reactive metakaolin originating from the Jari region in the synthesis of zeolite A by a new method of hydrothermal synthesis. The zeolite is obtained pure and highly crystalline employing the Jari kaolin calcined at 600 ° C for 2h when the transformation to metakaolin occurs. Get to zeolite phase A at 4pm. The best crystallization time was of 24 h afforded a crystallinity of 67.9%. The third study was the evaluation of the NaOH / metakaolin and crystallization time on the synthesis of zeolite NaA from a sample of kaolin waste, named Kaolin Coverage. The experiments were performed using statistical design (axial points) and rejoinder the center point. The samples were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning microscopic analysis and chemical analysis using an EPMA microprobe. The results showed that a relationship exists between the amount of NaOH added and the crystallization time. The experiment performed using the lowest ratio NaOH / metakaolin (0.5) and shorter (4 h) produced an amorphous material. The increase ratio of NaOH / metakaolin and crystallization time leads to formation of a more crystalline NaA phase, but the presence of phase with sodalite as impurities

Análise experimental de lajes lisas unidirecionais de concreto armado de alta resistência com metacaulim apoiadas em pilares retangulares e armadas à punção

Foram analisadas experimentalmente 10 (dez) lajes lisas de concreto dosado com metacaulim e concreto de alta resistência (fcc =60 MPa). submetidas a carregamento simétrico. objetivando analisar a influência da variação do índice de retangularidade dos pilares (CIII;{. mm = 1. 3 e 5) e de armaduras de cisa1harnento na resistência ao puncionamento das mesmas. As armaduras de cisalhamento foram constituídas por estribos abertos inclinados. As lajes tinham dimensões de (1.800 x 1.800 x 110) mm e as principais variáveis foram à variação do índice de retangularidade dos pilares e distribuição dos estribos inclinados em tomo dos mesmos. Analisou-se os resultados de cargas de ruptura. flechas. mapa de fissuração. ductilidade. deformações no concreto e nas armaduras de ftexão e cisalhamento, e os modos de ruptura atingidos. Os resultados experimentais foram comparados com os resultados estimados por diversas normas. São também apresentados os resultados obridos numericamente para as lajes ensaiadas e comparados com os resultados experimentais. Os resultados experimentais mostraram que o aumento do índice de retangularidade faz com que as forças cortantes se concentrem nas extremidades do pilar, o que sugere que nessa região as armaduras de combate ao pmtcionamento são mais solicitadas. Os estribos inclinados foram eficientes no aumento das cargas de ruptura e alteraram inclusive o modo de ruptura de algumas lajes. Observou-se ganhos de até 32% quando os estribos foram distribuídos em tomo das extremidades dos pilares. A baixa capacidade resistente à flexão limitou a resistência última.

Avaliação de sistemas de reparo para o problema de abrasão do concreto de superfícies úmidas em usinas hidrelétricas

A área de pesquisa em patologia das construções vem crescendo muito ultimamente, devido à degradação natural observada nos mais diversos tipos de edificações. Neste sentido, grande atenção vem sendo dispendida às estruturas de concreto de obras especiais como usinas hidrelétricas (UHEs) em virtude de sua complexidade e importância, tanto social quanto econômica. Uma das patologias que mais ocorrem nestas estruturas é a abrasão hidráulica do concreto, a qual pode levar a construção à ruína, em casos extremos. Este trabalho visa obter e analisar dados de vários materiais de reparo quanto à resistência à abrasão hidráulica e quanto aos seus respectivos sistemas de aderência. Dividiu-se a pesquisa em três grandes etapas: na primeira verificaria as características físicas e mecânicas dos materiais de reparo, a segunda analisaria a compatibilidade entre reparo e substrato através da aderência obtida no ensaio de compressão na junta diagonal e a terceira forneceria dados sobre a resistência à abrasão dos reparos através do ensaio ASTM C1138. Na primeira etapa foram realizados os ensaios de resistência à compressão axial e consistência dos concretos e argamassas utilizados como reparos profundos e superficiais para as idades de 3, 7 e 28 dias; Na segunda, aos 3 e 28 dias de idade, foram realizados os ensaios de aderência dos sistemas adesivos, abrangendo materiais cimentícios e à base de polímeros; Na última etapa foram utilizados os mesmos materiais de reparo da primeira: argamassas e concretos à base de cimento com e sem adição de pozolanas sílica ativa e metacaulim e argamassa à base de resina epóxi aos 3 e 28 dias. Como resultados, foram obtidas resistências à compressão axial entre 40 e 65 MPa para os materiais cimentícios aos 3 dias de idade e entre 60 e 80 MPa aos 28 dias, enquanto que para a argamassa epóxi a resistência foi de 20 MPa para ambas as idades. A consistência das argamassas foi tixotrópica, enquanto que a dos concretos foi bastante fluida. Quanto à aderência, realizou-se a aplicação dos adesivos em superfícies escarificadas, limpas e encharcadas, o que possibilitou uma expressiva vantagem dos adesivos à base de cimento e relação aos poliméricos, mesmo estes sendo indicados para colagem em substratos úmidos. Na etapa de abrasão dos reparos, utilizou-se uma nova metodologia de preparo dos substratos de concreto e posterior aplicação dos reparos, classificados em profundos ou superficiais. O reparo que apresentou maior resistência à abrasão foi o de argamassa epóxi. Não houve diferença estatística significativa entre os concretos sem adição e com adição de sílica ativa e metacaulim de alta reatividade. Em geral, o desgaste das argamassas, especialmente aos 3 dias, foi maior que o dos concretos, onde se verificou claramente a presença de dois estágios de taxa de desgaste em função da resistência à abrasão dos agregados graúdos. Assim, foi possível identificar diferentes estágios de desgaste para os concretos utilizados.

Synthesis and characterization of zeolite NaP using kaolin waste as a source of silicon and aluminum

The synthesis of zeolite NaP using kaolin waste, from the Amazon region, as a predominant source of silicon and aluminum has been studied. The zeolitisation process occurred in hydrothermal conditions using static autoclaving and the effects of time, temperature, and the Si/Al ratio were investigated. The starting material and the phases formed as reaction products were characterized by XRD, SEM and FTIR. The results showed that pure zeolite NaP is hydrothermally synthesized, at 100 °C for 20 hours, using metakaolin waste material in alkaline medium in presence of additional silica. The XRD and SEM analyses indicate that the synthesized zeolite presents good crystallinity.

Investigação da reatividade e da cinética de dissolução do metacaulim em ácido sulfúrico

Um estudo da reatividade e da cinética de dissolução do metacaulim foi desenvolvido para o caulim de cobertura de papel oriundo da região do Rio Capim, Pará. O caulim foi calcinado a 600, 700, 800, 900 e 1000 ºC por 2 h para obtenção do metacaulim e posteriormente lixiviado com ácido sulfúrico em temperaturas constantes dentro do intervalo 50-95 °C ± 3 °C. Nas lixiviações foram usadas quantidades de ácido sulfúrico correspondentes a 10% acima do valor estequiométrico em relação ao alumínio presente no material. Foram coletadas amostras, com intervalos pré-determinados a cada 15 min até tempo total de 3 h, as quais foram submetidas à análise de teor de alumínio pelo método titrimétrico com EDTA. Os resultados mostraram que a reatividade do caulim calcinado diminuiu com o aumento da temperatura de calcinação e que a cinética de dissolução do alumínio do metacaulim obtido por calcinação a 700 °C seguiu os métodos de reação homogênea utilizados: método integral, método das meia-vidas e método das velocidades iniciais. Uma energia de ativação de 96,25 kJ/mol foi encontrada bem como reação de lixiviação de primeira ordem em relação ao alumínio do metacaulim e de primeira ordem em relação à concentração ácida. Pesquisas realizadas anteriormente, utilizando excesso de um dos reagentes acima de 90% e modelos de reação heterogênea, estão em consonância com os dados encontrados neste trabalho desenvolvido com excesso de apenas 10%.

Avaliação preliminar do emprego de arenito zeolítico da região nordeste do Brasil como material pozolânico para cimento Portland

As zeolitas possuem atividade pozolânica normalmente sem a necessidade de ativação térmica, por isto têm sido empregadas na produção de cimento e concreto hidráulicos desde a época do império romano. Hoje em dia são utilizadas na fabricação do cimento Portland através da substituição do clinquer em percentuais que variam entre 5 e 20%, dependendo da reatividade e da finura da zeólita. Em razão disto, são muito importantes do ponto de vista econômico e ambiental, principalmente quando não necessitam de tratamento térmico para adquirirem caráter pozolânico satisfatório, porque reduzem significativamente a energia de produção do clinquer e a liberação de CO₂ proveniente tanto da descarbonatação da calcita como da combustão de combustíveis fósseis. Contudo, dados sobre reservas de zeólitas naturais são escassos e imprecisos. No Brasil, não existe conhecimento sobre depósitos naturais de zeólitas que possam ser explorados comercialmente. No nordeste do Brasil existe a ocorrência de zeolitas sedimentares relacionadas a arenitos descoberta nos anos 2000. Estes arenitos são constituídos de quartzo, argilominerais e zeolitas naturais (estilbita). O objetivo geral desse trabalho foi avaliar se esta zeólita natural presente no arenito possui atividade pozolânica satisfatória para ser empregada como adição mineral em cimentos Portland. No programa experimental o arenito zeolítico passou por beneficiamento através da remoção, por peneiramento, do quartzo e outros minerais inertes, de modo a concentrar a zeólita estilbita e com isto verificar as propriedades pozolânicas deste mineral. No estudo experimental foram empregadas as técnicas de difração de raios X, calorimetria, ensaios químicos e de determinação da atividade pozolânica em argamassas de cal hidratada e cimento Portland. Os resultados mostraram que o arenito zeolítico acelerou a hidratação do cimento Portland devido a extrema finura do material. O arenito apresentou atividade pozolânica, sendo a estilbita responsável por este comportamento. Entretanto, a reatividade foi ligeiramente inferior ao mínimo exigido para ser empregado em escala industrial como pozolana. Estudos complementares são necessários para averiguar se o tratamento térmico entre 300 °C e 500 °C pode aumentar a atividade pozolânica do arenito devido a destruição da estrutura cristalina tanto da estilbita quanto da esmectita presente no arenito.

Caracterização dos resíduos cauliníticos das indústrias de mineração de caulim da Amazônia como matéria-prima para produção de pozolanas de alta reatividade

As regiões do Rio Capim e do Rio Jari são os principais distritos caulinitícos da Região Amazônica, detentores das maiores reservas brasileiras de caulim de alta qualidade para aplicações como cobertura de papel. O caulim é lavrado e beneficiado por três grandes companhias que são responsáveis pela geração de aproximadamente 500 mil de toneladas anuais de um resíduo decorrente da etapa de centrifugação. Esse resíduo, na forma de polpa, é depositado em lagoas de sedimentação que ocupam grandes extensões de áreas. O objetivo da pesquisa foi investigar as características físicas, químicas e mineralógicas dos resíduos processados da Região do Jari e do Capim, de modo a avaliar se atendem aos requisitos como matéria-prima para a produção de uma pozolana de alta reatividade, o metacaulim, adição mineral que incorporada ao cimento Portland proporciona alto desempenho às misturas de concreto e argamassas. Os resíduos foram caracterizados por difração de raios X, análise térmica, espectroscopia de infravermelho, microscopia eletrônica de varredura, fluorescência de raios X e difração a laser. Ambos os resíduos são constituídos por no mínimo 92% de caulinita de baixa granulometria, cujas áreas superficiais específicas são superiores a 8 m²/g e os diâmetros médios de partículas inferiores a 1 µm. Os teores de sílica livre (quartzo) não foram superiores a 3%. O alto grau de concentração de caulinita destes resíduos dispensa os rígidos parâmetros de controle de remoção de impurezas, normalmente empregados na produção deste tipo de pozolana. O caulim do Rio Jari, com quantidade de defeitos na estrutura cristalina superior ao da caulinita do Rio Capim, proporcinou maior grau de desidroxilação a uma temperatura mais baixa quando calcinado, indicando a possibilidade de redução de gastos com energia para a produção da adição mineral. Os resultados das análises foram convergentes e apontam ambos os caulins estudados como excelentes matérias-primas para a produção do metacaulim de alta reatividade.

Propriedades mecânicas e durabilidade do concreto branco com adições pozolânicas

O presente trabalho tem a finalidade de verificar o comportamento do concreto de cimento Portland Branco com adição de metacaulim e sílica ativa, avaliando o comportamento mecânico, a absorção de água e o nível de porosidade e durabilidade em concretos com este aglomerante. Para isso, foram realizados ensaios no estado plástico (consistência e massa específica) e endurecido (resistência à compressão axial, resistência à tração por compressão diametral, módulo de elasticidade, absorção de água, penetração de cloretos e carbonatação). Foram realizadas avaliações de sua resistência à compressão axial e à tração por compressão dimetral nas idades de 7 e 28 dias através do método IPT/EPUSP que utiliza os traços 1:5, 1:3,5 e 1:6,5. O módulo de elasticidade aos 28 dias. Além destes foi avaliada a permeabilidade por meio de ensaio de absorção; durabilidade através do ensaio acelerado de cloretos e da carbonatação; a porosidade foi verificada com a realização da microscopia eletrônica de varredura. De maneira geral, verificou-se que mesmo a resistência dos concretos de menor proporção agregado/aglomerante (traço pobre), está acima das resistências mais usuais na região metropolitana de Belém que é em torno de 25 a 30 MPa, visto que o cimento branco utilizado é o estrutural, por isso, justifica-se o alcance destes valores mesmo com traço pobre. Com relação à permeabilidade, os resultados demonstraram que assim como a resistência, esta é dependente do tipo de cimento empregado e das adições utilizadas. Os valores mais elevados de permeabilidade foram obtidos nos concretos referência (sem adição). Para estudar a porosidade viu-se que concreto referência apresenta-se menos compacto e com mais poros perceptíveis, principalmente os com maiores proporções agregado/aglomerante. Já nas micrografias dos concretos CMT e CSA, é possível observar uma menor quantidade de poros na região ocupada pela pasta Por fim, foi feita uma comparação das propriedades mecânicas, capacidade de absorção de água e porosidade do Cimento Portland Branco (CPB).

Desenvolvimento de processos de síntese de sodalita a partir de rejeitos de caulins da região Amazônica

No estudo da síntese de Sodalita foram utilizados dois rejeitos de caulins provenientes de duas empresas de beneficiamento de caulim para cobertura de papel, localizadas na região Amazônica, que operam na região do Rio Capim (CRC) e do Rio Jari (CRJ). Além desses rejeitos, também foi utilizado como fonte de alumina e sílica o metacaulim, obtida através da calcinação dos caulins (MRC e MRJ, respectivamente). Dessa forma, para obter informações das suas características foram realizadas análises químicas e mineralógicas destes caulins. A síntese da Sodalita foi realizada variando alguns parâmetros, como material de partida: partindo-se diretamente de caulim nas temperaturas de 80, 100, 120 e 150 °C; e, partindo-se de metacaulim na temperatura de 95 °C. Posteriormente, as sínteses foram realizadas variando-se as soluções básicas a fim de verificar a influencia da presença dos íons OH^-, Cl^- e CO₃^2-, bem como a influencia da relação Na₂O/Al₂O₃ na síntese, com a temperatura fixa em 95 ºC para o material de partida MRC. Verificou-se ainda, a influência da temperatura de síntese variando as em 85, 90 e 95 °C, fixando-se a relação Na₂O/Al₂O₃ na mistura reacional para determinar as condições ótimas de síntese de Sodalita. Os materiais de partida e os produtos de síntese foram identificados e caracterizados através de DRX, FRX, MEV, ATD/TG e EIV. O método de síntese que apresentou melhor resultado foi utilizou o metacaulim como material de partida, com solução NaOH + Na₂CO₃ apresentando relação Na₂O/Al₂O₃de 3,89 conduzida sob agitação, a 95°C, pressão atmosférica e tempo de 4 horas, para os dois tipos de caulins (CRC e CRJ). A utilização do metacaulim MRC, a partir do caulim do Rio Capim, nas condições mencionadas acima obteve-se a conversão de 86,5% em massa de Sodalita, e o metacaulim MRJ, caulim do Rio Jari, a conversão foi de 73,6% em sodalita. No que se refere ao tamanho de poros, os produtos partindo de metacaulim tanto do Rio Capim quanto do Rio Jari foram caracterizados como materiais mesoporosos, porém o produto partindo de metacaulim do Rio Jari apresentou maior área especifica.

Concretes with red mud coarse aggregates

Red mud (RM) is a mineral waste, residue of the Bayer process used to obtain alumina from bauxite. While the exploration of rolled pebble damages the environment and is much more controlled by the government, the huge RM disposal areas do not stop increasing and polluting soil, rivers and groundwater sources in Amazon. In this work, the material mixtures used to produce coarse aggregates presented up to 80% of RM, 30% of metakaolin and 30% of active silica as recycled waste. Several tests were carried out to determine the aggregates physical properties and to evaluate the mechanical performance of the concretes with the new aggregates, including hydraulic abrasion strength, and the results were compared to the reference ones, i.e. rolled pebble concretes. Additionally, the sintering process neutralizes any toxic substance as occur in some RM products like tiles and bricks, and these results have encouraged an industrial or semi-industrial production of RM aggregates for concretes.

Análise de blocos de concreto com resíduo de borracha de pneu e metacaulim

Pós-graduação em Engenharia Civil - FEIS

Characterization and properties of blended cement matrices containing activated bamboo leaf wastes

The worldwide production of bamboo generates large volumes of leaf wastes, which are deposited in landfills or burned in an uncontrolled manner, with negative effects in the environment. The ash obtained by calcining of the bamboo leaf waste, shows good qualities as supplementary cementing material for the production of blended cements. The current paper shows a detailed scientific study of a Brazilian bamboo leaf ash (BLA) calcined at 600 degrees C in small scale condition, by using different techniques (XRF, XRD, SEM/EDX, FT-IR, TG/DTG) and technical study in order. to analyse the behaviour of this ash in blended cements elaborated with 10% and 20% by mass of BLA. The results stated that this ash shows a very high pozzolanic activity, with a reaction rate constant K of the order of 10(-1)/h and type I CSH gel was the main hydrated phase obtained from pozzolanic reaction. The BLA blended cements (10% and 20%) complied with the physical and mechanical requirements of the existing European standards. (c) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Sustainable inorganic Binders and Their Applications in Building Engineering: A Green Alternative to Ordinary Portland Cement

In the last decades, the building materials and construction industry has been contributing to a great extent to generate a high impact on our environment. As it has been considered one of the key areas in which to operate to significantly reduce our footprint on environment, there has been widespread belief that particular attention now has to be paid and specific measures have to be taken to limit the use of non-renewable resources.The aim of this thesis is therefore to study and evaluate sustainable alternatives to commonly used building materials, mainly based on ordinary Portland Cement, and find a supportable path to reduce CO2 emissions and promote the re-use of waste materials. More specifically, this research explores different solutions for replacing cementitious binders in distinct application fields, particularly where special and more restricting requirements are needed, such as restoration and conservation of architectural heritage. Emphasis was thus placed on aspects and implications more closely related to the concept of non-invasivity and environmental sustainability. A first part of the research was addressed to the study and development of sustainable inorganic matrices, based on lime putty, for the pre-impregnation and on-site binding of continuous carbon fiber fabrics for structural rehabilitation and heritage restoration. Moreover, with the aim to further limit the exploitation of non-renewable resources, the synthesis of chemically activated silico-aluminate materials, as metakaolin, ladle slag or fly ash, was thus successfully achieved. New sustainable binders were hence proposed as novel building materials, suitable to be used as primary component for construction and repair mortars, as bulk materials in high-temperature applications or as matrices for high-toughness fiber reinforced composites.

Elaboration et caractérisation de ciments géopolymères à base de scories volcaniques

Two types of volcanic ashes referenced as ZD (volcanic ashes from Djoungo) and ZG (volcanic ashes from Galim) were collected from two Cameroonian localities. They were characterized (chemical and mineralogical compositions, amorphous phase content, particle size distribution and specific surface area) and used as raw materials for the synthesis of geopolymer cements at ambient temperature of laboratory (24 ± 3 °C). The synthesized products were characterized by determining their setting time, linear shrinkage and compressive strength, X-ray Diffraction, Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Scanning Electron Microscopy. The mineralogical composition, the amorphous phase content, the particle size distribution, the specific surface area of the volcanic ashes as well as the mass ratio of the alkaline solution (sodium silicate / sodium hydroxide) were the main parameters which influenced the synthesis of geopolymers with interesting characteristics at ambient temperature (24 ± 3 °C). The volcanic ashes (ZD) whose mineralogical composition contained anhydrite, low amorphous phase content and low specific surface area led to long setting times. Moreover, its products swelled and presented cracks due to the formation of ettringite and these resulted in low compressive strengths (7 to 19 MPa). The volcanic ashes (ZG) containing high amounts of amorphous phase and high specific surface area led geopolymers with setting times between 490 and 180 minutes and compressive strength between 7 and 50 MPa at ambient temperature of laboratory. The properties of geopolymers were improved when elaborated with a mixture of volcanic ashes and metakaolin (ZD–MK and ZG–MK). For geopolymers obtained from ZD–MK, the setting time was between 500 and 160 minutes while it was between 220 and 125 minutes for geopolymers obtained from ZG–MK. The compressive strength greatly increased between 23 and 68 MPa and 39 and 64 MPa for geopolymers obtained from ZG –MK and ZD–MK respectively. A comparative study of the properties of mixtures of metakaolin–alumina and volcanic ash–alumina based geopolymers shows that metakaolin is a good source of Al2O3 and SiO2 and which highly reactive with alkaline solution and produces geopolymers with better characteristics compared to volcanic ash based–geopolymer. The properties of volcanic ash–based geopolymer were also improved when amorphous alumina was incorporated into the volcanic ash. This additive is used to compensate the deficiencies in Al2O3 content in the volcanic ash. Compare to when volcanic ash is used alone 20 to 40 % incorporation of this additive corresponded to increases of the compressive strength by 18.1 % for metakaolin-alumina based-geopolymers and by 32.4 % for volcanic ash-based geopolymers.