Internal curing in cement-based materials

O desenvolvimento de betões de elevado desempenho, durante o início da década de 80, revelou que este tipo particular de materiais com base em cimento é susceptível a problemas de cura. São bem conhecidos os efeitos dos fenómenos autogéneos em sistemas de elevado desempenho com base em cimento, nomeadamente a fissuração em idade jovem. Esta é, aliás vista como a maior limitação no desenvolvimento de novos materiais com durabilidade superior. Desenvolvimentos recentes de métodos de cura interna provaram ser uma boa estratégia de mitigação dos efeitos da auto-dissecação destes sistemas, onde a presente tese ganha o seu espaço no tempo. Este estudo centra-se essencialmente em sistemas de elevado desempenho com base em cimento com cura interna através de partículas superabsorventes, dando particular importância à alteração de volume em idade jovem. Da análise mais aprofundada deste método, resultam algumas limitações na sua aplicabilidade, especialmente em sistemas modificados com sílica de fumo. Conclui-se que a natureza física e química dos polímeros superabsorventes pode afectar significativamente a eficiência da cura interna. Em adição, os mecanismos de cura interna são discutidos mais profundamente, sendo que para além dos mecanismos baseados em fenómenos físicos e químicos, parecem existir efeitos mecânicos significativos. Várias técnicas foram utilizadas durante o decorrer desta investigação, com o objectivo, para além da caracterização de certas propriedades dos materiais, de perseguir as questões deixadas em aberto pela comunidade internacional, relativamente aos mecanismos que fundamentam a explicação dos fenómenos autogéneos. Como exemplo, são apresentados os estudos sobre hidratação dos sistemas para avaliação do problema numa escala microscópica, em vez de macroscópica. Uma nova técnica de cura interna emerge da investigação, baseada na utilização de agregados finos como veiculo para mitigar parcialmente a retracção autogénea. Até aqui, esta técnica não encontra par em investigação anterior, mas a extensão da cura interna ou a eficácia na mitigação baseada neste conceito encontra algumas limitações. A significância desta técnica em prevenir a micro fissuração é um aspecto que está ainda em aberto, mas pode concluir-se que os agregados finos podem ser benéficos na redução dos efeitos da restrição localizada no sistema, reduzindo o risco de micro fissuração. A utilização combinada de partículas finas de agregado e polímeros super absorventes pode ter como consequência betão sem microfissuração, ou pelo menos com nanofissuração.

Biomass fly ash incorporation in cement based materials

In recent years, pressures on global environment and energy security have led to an increasing demand on renewable energy sources, and diversification of Europe’s energy supply. Among these resources the biomass could exert an important role, since it is considered a renewable and CO2 neutral energy resource once the consumption rate is lower than the growth rate, and can potentially provide energy for heat, power and transports from the same installation. Currently, most of the biomass ash produced in industrial plants is either disposed of in landfill or recycled on agricultural fields or forest, and most times this goes on without any form of control. However, considering that the disposal cost of biomass ashes are raising, and that biomass ash volumes are increasing worldwide, a sustainable ash management has to be established. The main objective of the present study is the effect of biomass fly ashes in cement mortars and concretes in order to be used as a supplementary cementitious material. The wastes analyzed in the study were collected from the fluidized bed boilers and grate boilers available in the thermal power plants and paper pulp plants situated in Portugal. The physical as well as chemical characterisations of the biomass fly ashes were investigated. The cement was replaced by the biomass fly ashes in 10, 20 and 30% (weight %) in order to investigate the fresh properties as well as the hardened properties of biomass fly ash incorporated cement mortar and concrete formulations. Expansion reactions such as alkali silica reaction (ASR), sulphate attack (external and internal) were conducted in order to check the durability of the biomass fly ash incorporated cement mortars and concretes. Alternative applications such as incorporation in lime mortars and alkali activation of the biomass fly ashes were also attempted. The biomass fly ash particles were irregular in shape and fine in nature. The chemical characterization revealed that the biomass fly ashes were similar to a class C fly ash. The mortar results showed a good scope for biomass fly ashes as supplementary cementitious materials in lower dosages (<20%). The poor workability, concerns about the organic content, alkalis, chlorides and sulphates stand as the reasons for preventing the use of biomass fly ash in high content in the cement mortars. The results obtained from the durability tests have shown a clear reduction in expansion for the biomass fly ash mortars/concretes and the binder blend made with biomass fly ash (20%) and metakaolin (10%) inhibited the ASR reaction effectively. The biomass fly ash incorporation in lime mortars did not improve the mortar properties significantly though the carbonation was enhanced in the 15-20% incorporation. The biomass fly ash metakaolin blend worked well in the alkali activated complex binder application also. Portland cement free binders (with 30-40 MPa compressive strength) were obtained on the alkali activation of biomass fly ashes (60-80%) blended with metakaolin (20-40%).

Desenvolvimento e avaliação de um sistema de monitorização da corrosão electroquímica no betão armado

O presente trabalho teve como principal objectivo desenvolver e avaliar o desempenho de um sistema de monitorização da corrosão no betão armado. Para tal foram construídos dois provetes de classe 20/25, e outros dois de classe 30/35. Dentro desses quatro provetes foram instalados sensores de corrosão designados por Monicorr. Para cada classe de betão utilizaram-se dois tipos diferentes de contaminação, designadas por A e B. A contaminação do tipo A é feita adicionando durante a amassadura do betão uma solução aquosa de cloreto de cálcio a 4% em massa de cimento e sujeitando esses provetes a ciclos de condensação de 50h, durante um período de 1000h. A contaminação do tipo B é feita sujeitando os outros dois provetes de classes diferentes a ciclos de 100h de nevoeiro salino a 3% em massa de água, durante um período de 2000h. Para avaliar o desempenho do sistema de monitorização Monicorr foram comparados os valores da velocidade de corrosão instantânea por LPR, a resistividade do betão e o potencial de corrosão da armadura, obtidos pelo sistema Monicorr, com os obtidos por aparelhos utilizados para o mesmo efeito em laboratório. Paralelamente, estudou-se também a variação do potencial de corrosão da armadura em função da área oxidada. Para além disso desenvolveu-se um conjunto de pseudo referências de grafite dopada com diferentes percentagens de cimento e avaliou-se a sua estabilidade relativamente ao eléctrodo de calomelanos e óxido de managanês manganês em soluções de hidróxido de cálcio saturada e de betão armado contaminado com sais cloreto. Finalmente foram ainda desenvolvidas duas tarefas, a primeira relacionada com os resultados obtidos na medição da resistividade do betão armado pelas técnicas de dois pinos e quatro pinos, e a segunda com o desenvolvimento de um método rápido de contaminação do betão armado com dióxido de enxofre. Os resultados obtidos permitem concluir que: - o sistema de monitorização Monicorr apresenta um comportamento muito semelhante aos utilizados em laboratório para medir grandezas como o potencial de corrosão da armadura, resistividade do betão e velocidade de corrosão instantânea por LPR; - a monitorização das três grandezas atrás referidas pode ser uma ferramenta importante para permitir saber qual é o desenvolvimento corrosivo de uma estrutura de betão armado; os eléctrodos de grafite dopada com cimento apresentam uma elevada estabilidade nos meios testados tendo um desempenho muito semelhante à referência de manganês óxido de manganês para os mesmos meios. Relativamente à influência da área oxidada no potencial de corrosão da armadura não foi possível tirar conclusões. Foi possível, também, concluir que existe uma clara concordância entre as medições da resistividade do betão utilizando o método dos dois pinos e o método dos quatro pinos. Finalmente pode-se concluir que a metodologia desenvolvida para contaminar provetes de betão com iões sulfato obtém bons resultados ao fim de, apenas, 48h de contaminação.

Acrylic bone cements modified with bioactive and biodegradable fillers

O cimento ósseo acrílico é o único material utilizado para a fixação de próteses em cirurgias ortopédicas, surgindo como uma alternativa às técnicas não cimentadas. Cerca de um milhão de pacientes são anualmente tratados para a substituição total da articulação do quadril e do joelho. Com a maior expectativa de vida da população e o aumento do número de cirurgias realizadas por ano espera-se que o uso do cimento ósseo aumente substancialmente. A fraca ligação do cimento ao osso é um problema comum que pode causar perda asséptica da prótese. Assim, torna-se necessário investir no desenvolvimento de cimentos ósseos alternativos que permitam promover maior estabilidade e melhor desempenho do implante. O principal objetivo desta tese foi desenvolver um cimento ósseo bioativo, capaz de ligar-se ao osso, com propriedades melhoradas relativamente aos sistemas convencionais. A preparação dos materiais foi realizada por dois processos diferentes, a polimerização por via térmica e a polimerização por via química. Inicialmente, utilizando o processo térmico, foram desenvolvidos compósitos de PMMA-co-EHA reforçados com vidro de sílica (CSi) e vidro de boro (CB) e comparados em termos do seu comportamento in vitro em meio acelular e celular. A formação de precipitados de fosfato de cálcio foi observada sobre a superfície de todos os compósitos indicando que estes materiais são potencialmente bioativos. Em relação à avaliação biológica o CSi demonstrou um efeito indutor da proliferação das células. As células apresentaram uma morfologia normal e alta taxa de crescimento quando comparadas com o padrão de cultura. Por outro lado ocorreu inibição da proliferação celular para o CB provavelmente devido à sua elevada taxa de degradação, levando a uma elevada concentraçao de iões de B e de Mg no meio de cultura. O efeito do vidro nos cimentos curados por via química, incorporando um activador de baixa toxicidade, também foi avaliado. Os resultados sugerem que as novas formulações podem diminuir o efeito exotérmico na cura do cimento e melhorar as propriedades mecânicas (flexão e compressão). Outro estudo conduzido neste trabalho explorou a possibilidade de incorporar ibuprofeno (fármaco anti-inflamatório) no cimento, dando origem a um material capaz de ser simultaneamente, bioativo e promotor da libertação controlada de fármacos. Neste contexto foi evidenciado que o desempenho do cimento desenvolvido pode contribuir para minimizar o processo inflamatório associado a uma cirurgia ortopédica. Finalmente, a fase sólida do cimento ósseo bioativo foi modificada por diferentes polímeros biodegradáveis. A adição deste enchimento deu origem a um cimento parcialmente biodegradável que pode permitir a formação de poros e o crescimento ósseo para o interior do cimento, resultando numa melhor fixação da prótese.

Nanocompósitos de PMMA/HA/grafeno para aplicações biomédicas

Os cimentos ósseos à base de PMMA para aplicações em artroplastia da anca apresentam como grande limitação o facto do seu constituinte principal ser um elemento bioinerte o que leva à falta de integração entre as interfaces cimento ósseo/tecido ósseo, comprometendo assim o desempenho mecânico da prótese ortopédica ao longo do tempo. Esta dissertação tem como objetivo principal a preparação de novas formulações de cimentos ósseos com a capacidade de estabelecer interações com os tecidos vivos circundantes. De modo a melhorar a bioatividade do sistema e facilitar a sua osseointegração, os cimentos ósseos comerciais foram reforçados com cargas significativas de HA. No entanto o recurso a elevadas cargas de HA (~60% m/m) no cimento ósseo promove debilidades do ponto de vista estrutural, levando a uma baixa resistência mecânica do material final. No sentido de ultrapassar esta limitação, foram inseridas nanoestruturas de carbono (GO ou CNTs) em baixas percentagens na matriz polimérica por forma a maximizar a sua performance mecânica através da perfeita integração de todos os componentes. A primeira fase deste trabalho consistiu no desenvolvimento de metodologias que permitissem a síntese de GO através da exfoliação química da grafite em solução aquosa. Os resultados obtidos demonstraram a obtenção de folhas de GO em larga escala e com número de camadas uniforme. A funcionalização orgânica superficial via ATRP do GO obtido, com cadeias de PMMA possibilitou o desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos, no entanto alguns fatores de natureza tecnológica inviabilizaram o seu uso como agente de reforço na matriz idealizada. O desenvolvimento de novas formulações de cimentos ósseos consistiu numa matriz de PMMA/HA (1:2 (m/m)) reforçada com pequenas percentagens de GO ou CNTs (0,01, 0,1, 0,5 e 1,0% m/m). A síntese destes materiais nanocompósitos resultou da combinação de diversas técnicas: ultrassons, granulação por congelamento e liofilização. A análise estrutural dos nanocompósitos obtidos demonstrou a eficácia da metodologia desenvolvida na homogeneização de todos os elementos do sistema. Os estudos desenvolvidos após a conformação e caracterização estrutural dos novos materiais nanocompósitos permitiram verificar que as nanoestruturas de carbono apresentavam efeitos adversos na polimerização via radicalar do PMMA. A análise da fração orgânica permitiu verificar a presença de espécies oligoméricas o que reduziu significativamente o comportamento mecânico dos nanocompósitos. Através do estudo do aumento da concentração das espécies radicalares iniciais foi possível suplantar este problema e tirar o máximo rendimento dos agentes de reforço, tendo-se destacado os nanocompósitos reforçados com GO. A validação do ponto de vista mecânico das novas formulações de cimentos ósseos recaiu sobre o procedimento descrito na norma europeia ISO 5833 de 2002 – Implantes para cirurgia – cimentos acrílicos, tendo sido realizados os testes de compressão e de flexão. A avaliação biológica do comportamento dos cimentos ósseos assentou em duas abordagens complementares: estudos de mineralização em SBF e estudos de biocompatibilidade em meios celulares. Após a incubação das amostras em SBF ficou demonstrada a excelente capacidade para promoverem a integração de uma camada apatítica. Através de estudos celulares com Fibroblastos L929 e Osteoblastos Saos-2, nos quais foram avaliados a proliferação celular, viabilidade celular, espécies reativas de oxigénio, apoptose e morfologia celular, foi possível verificar bons níveis de biocompatibilidade para os materiais devolvidos.

Calcium, vitamin D, casein and whey protein intakes and periodontitis among Danish adults

Objective: To investigate whether intakes of Ca, vitamin D, casein and whey are associated with periodontitis and to investigate the possibility of interactions between them. Design: Cross-sectional study. An Internet-based, 267-item FFQ was used to assess dietary intake. Intakes of casein (32·0 g/d), whey proteins (9·6 g/d) and vitamin D (5·8 μg/d) were classified as within v. above the 50th percentile. Ca intake was classified as within v. below age-specific recommendations. Severe periodontitis was defined as having ≥2 inter-proximal sites with clinical attachment loss ≥6 mm (not on the same tooth) and ≥1 inter-proximal site with pocket depth ≥5 mm. Since vitamin D influences Ca absorption, models were stratified by lower and higher (<5·8 v. ≥5·8 µg/d) vitamin D intake. Setting Danish Health Examination Survey (DANHES) 2007–2008. Subjects Adult participants (n 3287) in the oral health study of DANHES 2007–2008. Results Intakes of Ca within recommendations (OR=0·76; 95 % CI 0·58, 0·99), whey ≥9·6 g/d (OR=0·75; 95 % CI 0·58, 0·97) and casein ≥32 g/d (OR=0·75 95 % CI 0·58, 0·97) were associated with lower likelihood of severe periodontitis after adjustment for age, gender, education, smoking, sucrose intake, alcohol consumption, number of teeth, daily brushing, regular visits to the dentist and chronic illness, irrespective of vitamin D intake levels. Intake of vitamin D alone was not associated severe with periodontitis. Conclusions Intakes of Ca, casein and whey protein were inversely associated with periodontitis. Consumption of foods rich in Ca, casein and whey (e.g. dairy foods) should be promoted, as they may contribute to the prevention of periodontitis. Further longitudinal studies are required to confirm these associations.

Calcium, vitamin D, casein and whey protein intakes and periodontitis among Danish adults

OBJECTIVE: To investigate whether intakes of Ca, vitamin D, casein and whey are associated with periodontitis and to investigate the possibility of interactions between them. DESIGN: Cross-sectional study. An Internet-based, 267-item FFQ was used to assess dietary intake. Intakes of casein (32.0 g/d), whey proteins (9.6 g/d) and vitamin D (5.8 mug/d) were classified as within v. above the 50th percentile. Ca intake was classified as within v. below age-specific recommendations. Severe periodontitis was defined as having >/=2 inter-proximal sites with clinical attachment loss >/=6 mm (not on the same tooth) and >/=1 inter-proximal site with pocket depth >/=5 mm. Since vitamin D influences Ca absorption, models were stratified by lower and higher (<5.8 v. >/=5.8 microg/d) vitamin D intake. SETTING: Danish Health Examination Survey (DANHES) 2007-2008. SUBJECTS: Adult participants (n 3287) in the oral health study of DANHES 2007-2008. RESULTS: Intakes of Ca within recommendations (OR=0.76; 95 % CI 0.58, 0.99), whey >/=9.6 g/d (OR=0.75; 95 % CI 0.58, 0.97) and casein >/=32 g/d (OR=0.75 95 % CI 0.58, 0.97) were associated with lower likelihood of severe periodontitis after adjustment for age, gender, education, smoking, sucrose intake, alcohol consumption, number of teeth, daily brushing, regular visits to the dentist and chronic illness, irrespective of vitamin D intake levels. Intake of vitamin D alone was not associated severe with periodontitis. CONCLUSIONS: Intakes of Ca, casein and whey protein were inversely associated with periodontitis. Consumption of foods rich in Ca, casein and whey (e.g. dairy foods) should be promoted, as they may contribute to the prevention of periodontitis. Further longitudinal studies are required to confirm these associations.

Low-Carbon Cement with Waste Oil-Cracking Catalyst Incorporation

The present paper shows preliminary results of an ongoing project which one of the goals is to investigate the viability of using waste FCC catalyst (wFCC), originated from Portuguese oil refinery, to produce low carbon blended cements. For this purpose, four blended cements were produced by substituting cement CEM I 42.5R up to 20% (w/w) by waste FCC catalyst. Initial and final setting times, consistency of standard paste, soundness and compressive strengths after 2, 7 and 28 days were measured. It was observed that the wFCC blended cements developed similar strength, at 28 days, compared to the reference cement, CEM I 42.5R. Moreover, cements with waste FCC catalyst incorporation up to 15% w/w meet European Standard EN 197-1 specifications for CEM II/A type cement, in the 42.5R strength class.

Low-carbon cement with waste oil-craking catalyst incorporation

The present paper shows preliminary results of an ongoing project which one of the goals is to investigate the viability of using waste FCC catalyst (wFCC), originated from Portuguese oil refinery, to produce low carbon blended cements. For this purpose, four blended cements were produced by substituting cement CEM I 42.5R up to 20% (w/w) by waste FCC catalyst. Initial and final setting times, consistency of standard paste, soundness and compressive strengths after 2, 7 and 28 days were measured. It was observed that the wFCC blended cements developed similar strength, at 28 days, compared to the reference cement, CEM I 42.5R. Moreover, cements with waste FCC catalyst incorporation up to 15% w/w meet European Standard EN 197-1 specifications for CEM II/A type cement, in the 42.5R strength class.

Broiler chicken ileal apparent digestibility of calcium and phosphorus from microalgae spirulina maxima.

2016

Dangote Cement Plc building materials

Equity research report

Genetics of calcium homeostasis in humans: continuum between monogenic diseases and continuous phenotypes

Extracellular calcium participates in several key physiological functions, such as control of blood coagulation, bone calcification or muscle contraction. Calcium homeostasis in humans is regulated in part by genetic factors, as illustrated by rare monogenic diseases characterized by hypo or hypercalcaemia. Both serum calcium and urinary calcium excretion are heritable continuous traits in humans. Serum calcium levels are tightly regulated by two main hormonal systems, i.e. parathyroid hormone and vitamin D, which are themselves also influenced by genetic factors. Recent technological advances in molecular biology allow for the screening of the human genome at an unprecedented level of detail and using hypothesis-free approaches, such as genome-wide association studies (GWAS). GWAS identified novel loci for calcium-related phenotypes (i.e. serum calcium and 25-OH vitamin D) that shed new light on the biology of calcium in humans. The substantial overlap (i.e. CYP24A1, CASR, GATA3; CYP2R1) between genes involved in rare monogenic diseases and genes located within loci identified in GWAS suggests a genetic and phenotypic continuum between monogenic diseases of calcium homeostasis and slight disturbances of calcium homeostasis in the general population. Future studies using whole-exome and whole-genome sequencing will further advance our understanding of the genetic architecture of calcium homeostasis in humans. These findings will likely provide new insight into the complex mechanisms involved in calcium homeostasis and hopefully lead to novel preventive and therapeutic approaches. Keyword: calcium, monogenic, genome-wide association studies, genetics.

Genome-wide meta-analysis for serum calcium identifies significantly associated SNPs near the calcium-sensing receptor (CASR) gene.

Calcium has a pivotal role in biological functions, and serum calcium levels have been associated with numerous disorders of bone and mineral metabolism, as well as with cardiovascular mortality. Here we report results from a genome-wide association study of serum calcium, integrating data from four independent cohorts including a total of 12,865 individuals of European and Indian Asian descent. Our meta-analysis shows that serum calcium is associated with SNPs in or near the calcium-sensing receptor (CASR) gene on 3q13. The top hit with a p-value of 6.3 x 10(-37) is rs1801725, a missense variant, explaining 1.26% of the variance in serum calcium. This SNP had the strongest association in individuals of European descent, while for individuals of Indian Asian descent the top hit was rs17251221 (p = 1.1 x 10(-21)), a SNP in strong linkage disequilibrium with rs1801725. The strongest locus in CASR was shown to replicate in an independent Icelandic cohort of 4,126 individuals (p = 1.02 x 10(-4)). This genome-wide meta-analysis shows that common CASR variants modulate serum calcium levels in the adult general population, which confirms previous results in some candidate gene studies of the CASR locus. This study highlights the key role of CASR in calcium regulation.