A structural investigation relating to the pozzolanic activity of rice husk ashes

Various factors determine the applicability of rice husk ash (RHA) as a pozzolanic material. The amount and accessibility of reactive sites is thought to be a key factor. A structural study of RHA samples in relation to their reactivity has been performed; Silica in RHA formed by burning rice husk in a laboratory furnace under continuous supply of air have been characterized as a function of incineration temperature, time and cooling regime. The characterization methods included chemical analyses, conductivity measurements, microscopic analysis, X-ray diffraction (XRD) and 29Si magic-angle spinning (MAS) nuclear magnetic resonance (NMR). In line with earlier observations, the analyses show that the highest amounts of amorphous silica occur in samples burnt in the range of 500 °C–700 °C. The 29Si NMR data allow direct identification of the reactive silanol sites in the RHA samples. De-convolution of the NMR spectra clearly shows that the quickly cooled RHA resulting from burning rice husk for 12 h at 500 °C has the highest amount of silanol groups. This sample also induced the largest drop in conductivity when added to a saturated calcium hydroxide solution giving an indication of its reactivity towards lime. Therefore, this RHA is the favorable sample to be used as pozzolanic cement additive

Utilização da cinza de folha de cana-de-açúcar como material pozolânico em matrizes cimentantes

Pós-graduação em Engenharia Civil - FEIS

Correlação entre argamassas e betões com base em análise reométrica

O presente trabalho teve como objetivo principal estudar a correlação no estado fresco e no estado endurecido entre argamassas e betões com pozolanas, nomeadamente, um metacaulino e uma diatomite. Este trabalho procurou também otimizar a utilização dos materiais pozolânicos na produção de argamassas e betões. O estudo do comportamento reológico inicia-se com a avaliação da argamassa padrão e do betão padrão, utilizando para tal reómetros adequados a cada material. O comportamento reológico das argamassas com pozolanas foi analisado em função do comportamento da argamassa padrão. Verificou-se que é possível ajustar o comportamento reológico de argamassas com pozolanas ao comportamento da argamassa padrão e, deste modo, obter-se também betões correspondentes (com pozolanas) dentro do intervalo de trabalhabilidade pretendido e pré-definido para o betão padrão. Também foi possível concluir que, até um determinado teor de material pozolânico, se verificava uma correlação entre os parâmetros reológicos (viscosidade e tensão de cedência) das argamassas e os seus betões correspondentes. Na caracterização das argamassas e betões no estado endurecido, verificou-se a existência de uma correlação entre a resistência à compressão das argamassas e as resistências dos betões correspondentes para a maioria das formulações. Quando o ajuste de trabalhabilidade foi efetuado através da alteração do teor de água, apenas as formulações com metacaulino apresentavam uma relação linear entre as resistências das argamassas e a dos betões correspondentes. Usando um agente redutor de água de amassadura para o ajuste de trabalhabilidade, as formulações com metacaulino continuam a apresentar uma relação linear entre as resistências das argamassas e as resistências dos betões. As formulações mistas, com metacaulino e diatomite, também apresentam uma relação linear entre o valor das resistências das argamassas e dos betões. As composições com diatomite não mostram esta relação linear entre a resistência das argamassas e a resistência dos betões, embora exista uma correlação entre elas. O estudo de algumas propriedades no estado endurecido de betões mostrou que a utilização de água como elemento de ajuste de trabalhabilidade diminui sempre a resistência à compressão dos betões com o aumento do teor em pozolana. O uso de um agente redutor de água de amassadura, principalmente no caso da utilização do metacaulino, aumenta a resistência dos betões face ao padrão devido à sua maior reatividade pozolânica relativamente à diatomite. Estas tendências para os resultados observados na resistência mecânica foram também visíveis no módulo de elasticidade e justificáveis pela evolução da microestrutura avaliada conjuntamente por porosimetria, análises térmicas e microscopia eletrónica de varrimento. Finalmente, no estudo da influência dos materiais pozolânicos sobre a durabilidade dos betões, especificamente sobre a resistência à penetração de cloretos, ambas as pozolanas mostraram um efeito bloqueador à penetração de cloretos e, também aqui esse efeito foi mais evidente em composições com metacaulino e na presença de um agente redutor de água de amassadura.

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.

Influência da adição de cinza do bagaço de cana calcinada em sistemas de pastas para cimentação de poços petrolíferos

Cementing operation is one of the most important stages in the oil well drilling processes and has main function to form hydraulic seal between the various permeable zones traversed by the well. However, several problems may occur with the cement sheath, either during primary cementing or during the well production period. Cements low resistance can cause fissures in the cement sheath and compromise the mechanical integrity of the annular, resulting in contamination of groundwater and producing zones. Several researches show that biomass ash, in particular, those generated by the sugarcane industry have pozzolanic activity and can be added in the composition of the cementing slurries in diverse applications, providing improvements in mechanical properties, revenue and cement durability. Due to the importance of a low cost additive that increases the mechanical properties in a well cementing operations, this study aimed to potentiate the use of sugarcane bagasse ash as pozzolanic material, evaluate the mechanisms of action of this one on cement pastes properties and apply this material in systems slurries aimed to cementing a well with 800 m depth and geothermal gradient of 1.7 °F/100 ft, as much primary cementing operations as squeeze. To do this, the ash beneficiation methods were realized through the processes of grinding, sifting and reburning (calcination) and then characterization by X-ray fluorescence, XRD, TG / DTG, specific surface area, particle size distribution by laser diffraction and mass specific. Moreover, the ash pozzolanic activity added to the cement at concentrations of 0%, 20% and 40% BWOC was evaluated by pozzolanic activity index with lime and with Portland cement. The evaluation of the pozzolanic activity by XRD, TG / DTG and compressive strength confirmed the ash reactivity and indicated that the addition of 20% in the composition of cement slurries produces improvement 34% in the mechanical properties of the slurry cured. Cement slurries properties evaluated by rheological measurements, fluid loss, free fluid, slurry sedimentation, thickening time and sonic strength (UCA) were satisfactory and showed the viability of using the sugarcane ash in cement slurries composition for well cementing

Evolution of the mechanical properties of a tropical soil stabilized with lime and ash of rice rind

The ash of rice rind is a pozzolanic material that reacts with the calcium hydroxide (Ca (OH)2) forming bonding composites, when finely worn out and in water presence. Considering this behavior, the objective of the present work was to evaluate the potential use of this residue in the enrichment of the content of pozzolanic materials of a tropical soil stabilized with a commercial hydrated lime. The laboratory testing program incorporated unconfined compression strength tests performed on the soil and on its mixtures with contents of 8% of lime enriched with 5 and 10% of ash of rice rind in relation to the soil dry mass. The results of the testing program supported that the use of the residue was effective in increasing the degree of reactivity of the soil that was also directly related with the increase in the ash content and the period of cure of the mixtures.

Cinza de casca de arroz altamente reativa: método de produção, caracterização físico-química e comportamento em matrizes de cimento Portland

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Atividade pozolânica de arenito zeolítico da região Nordeste do Brasil

No nordeste do Brasil, existe a ocorrência de zeolitas sedimentares relacionadas a arenitos, descoberta nos anos 2000. Esses arenitos são constituídos de quartzo, zeolitas naturais (estilbita) e argilominerais (esmectita). Estudos preliminares constataram que esse arenito pode ser empregado como material pozolânico em sistemas à base de cimento Portland, desde que o material seja peneirado para remoção do quartzo e ativado termicamente, uma vez que a estilbita é zeolita de baixa atividade pozolânica. O objetivo geral desse trabalho foi determinar qual a fração granulométrica que proporciona a maior concentração de zeolita e esmectita e a temperatura de calcinação que acarreta a maior atividade pozolânica. No programa experimental, empregou-se o arenito zeolítico passante nas peneiras #200 e #325 e calcinado às temperaturas de 150ºC, 300ºC e 500ºC. A análise da caracterização mineralógica das amostras peneiradas foi realizada por difração de raios X, por análises termogravimétrica e termodiferencial. Para avaliação da reatividade, foram realizados ensaios mecânicos de atividade pozolânica em argamassas de cal hidratada e cimento Porltand. Os resultados mostraram que a amostra peneirada na peneira #200 foi a mais adequada porque apresentou elevada concentração de estilbita e um percentual maior de material passante em comparação a amostra da peneira #325, 15% e 2% respectivamente. A temperatura de calcinação de 500ºC foi a que proporcionou a maior atividade pozolânica, em razão da modificação mais efetiva da estrutura cristalina, tanto da estilbita, como da esmectita. As temperaturas mais moderadas a 150ºC e 300ºC não foram suficientes para a obtenção dos mesmos resultados. As argamassas com o arenito passante na peneira #200 e calcinado a 500ºC atingiram os valores limites mínimos exigidos para que um material seja considerado pozolânico, no caso, 6 MPa para argamassas de cal hidratada e 75% para o índice de atividade pozolânica (IAP).

Cimentos Portland aditivados com arenito zeolítico com propriedades pozolânicas

O uso adequado de pozolanas possibilita a produção de cimentos especiais, de menor custo de fabricação e de maior durabilidade que os correspondentes sem adição. O emprego dessas adições minerais possibilita ganhos significativos em termos de produtividade e uma extensão da vida útil dos equipamentos de produção e da própria jazida de calcário, também ajudando na diminuição de CO2 lançado na atmosfera. As zeólitas têm sido utilizadas como material pozolânico em misturas com "terras vulcânicas" e água nas construções desde o tempo do antigo Império Romano. Nos dias atuais, existem muitas discussões envolvendo reatividade pozolânica das zeólitas naturais na incorporação dos cimentos Portland. Na Região nordeste do Brasil, zeólitas sedimentares relacionadas a arenitos da Bacia do Parnaíba foram descobertas pelo Serviço Geológico do Brasil nos anos 2000. Estes arenitos são constituídos em sua maioria de quartzo, zeólitas naturais (estilbita) e argilominerais (esmectita). Estudos preliminares constataram que este arenito pode ser empregado como material pozolânico em sistemas a base de cimento Portland, desde que o material seja peneirado para remoção do quartzo e ativado termicamente, uma vez que a estilbita é uma zeólita de baixa atividade pozolânica. O objetivo geral desse trabalho foi determinar qual proporção de arenito zeolítico ativado termicamente proporciona melhores propriedades mineralógicas e mecânicas ao cimento Portland. No programa experimental empregou-se o arenito zeolítico passante na peneira 200# e calcinado à temperatura de 500ºC. A análise química das amostras foi realizada por espectroscopia de fluorescência de raios-x e a caracterização mineralógica por difração de raios-x e análise termogravimétrica e termodiferencial. O comportamento da hidratação dos cimentos foi avaliado através de calorimetria de condução, difratometria de raio-X e análises termodiferencial e termogravimétricas. Para avaliação da atividade pozolânica foi adotado um ensaio mecânico de resistência à compressão em argamassas cimento Portland (CP I -S) e areia, com percentuais de substituição de cimento por arenito de 10, 20 e 30%. Os resultados mostraram que o arenito zeolítico calcinado com a percentual de substituição de 10% proporcionou às argamassas melhor resultado tem termos de resistência à compressão simples, contudo estudos mais aprofundados de durabilidade e a idades mais avançadas podem indicar que teores mais elevados do arenito zeolítico podem também ser apropriados para a produção de concretos, principalmente em obras de infraestrutura como barragens, canais, entre outras.

Use of high-resolution thermogravimetric analysis (HRTG) technique in spent FCC catalyst/Portland cement pastes

Thermogravimetric analysis is one of the most common instrumental techniques used for the characterization of pastes, mortars and concretes based on both calcium hydroxide and Portland cement. Important information about pozzolanic materials can be assessed concerning calcium hydroxide consumption and the formation of new hydrated products. Nevertheless, in some cases, problems associated with the overlapped decomposition processes for hydrates make the analysis of obtained data difficult. In this paper, the use of high-resolution thermogravimetric analysis, a powerful technique that allows separating decomposition processes in analysis of hydrated binders, was performed for spent FCC catalyst-Portland cement pastes. These pastes were monitored for 1, 4, 8 h and 1, 2, 3, 7 and 28 curing days. In order to study the influence of the pozzolanic material (spent FCC catalyst), Portland cement replacements of 5, 15 and 30 % by mass were carried out. The presence of spent FCC catalyst in blended pastes modified the amount and the nature of the formed hydrates, mainly ettringite and stratlingite.

Utilização da cinza da casca de arroz em cimentação de poços de petróleo

Pozzolanic materials such as rice husk ash are widely used to substitute part of cement, because they react with calcium hydroxide (CH) producing calcium silicate hydrate (C-S-H), which aggregate better physical, chemical and mechanical properties to the cement slurry. The usage of rice husk biomass ash from agribusiness in addition to or partially replacing cement is a noble purpose and a good way of sustainable development which currently is an obsession around the world. The ashes utilized in this study were characterized by: scanning electron microscopy technique (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and BET method. The pozzolanic activity of RHA and WRHA in cement slurries was evaluated by: thermal-gravimetric technique and derivative thermogravimetry (TGA/DTG), X-ray diffraction (XRD) and Compressive Strength. The slurries formulated with additions of 10% and 20% of RHA and WRHA were cured for 28 days at 58 °C. The results of thermal analysis demonstrated that a 20% WRHA addition caused a reduction of approximately 73% of Portlandite (calcium hydroxide – CH) phase related to standard slurry (STD). The XRD scans also demonstrated the reduction of the Portlandite peaks’ intensity for each slurry compared with STD slurry. The RHA and WRHA react chemically with Portlandite producing calcium silicate hydrate (C-S-H), confirming their effect as a pozzolanic agent. The WRHA presented the best results as a pozzolanic material.

Influência da adição de cinza do bagaço de cana calcinada em sistemas de pastas para cimentação de poços petrolíferos

Cementing operation is one of the most important stages in the oil well drilling processes and has main function to form hydraulic seal between the various permeable zones traversed by the well. However, several problems may occur with the cement sheath, either during primary cementing or during the well production period. Cements low resistance can cause fissures in the cement sheath and compromise the mechanical integrity of the annular, resulting in contamination of groundwater and producing zones. Several researches show that biomass ash, in particular, those generated by the sugarcane industry have pozzolanic activity and can be added in the composition of the cementing slurries in diverse applications, providing improvements in mechanical properties, revenue and cement durability. Due to the importance of a low cost additive that increases the mechanical properties in a well cementing operations, this study aimed to potentiate the use of sugarcane bagasse ash as pozzolanic material, evaluate the mechanisms of action of this one on cement pastes properties and apply this material in systems slurries aimed to cementing a well with 800 m depth and geothermal gradient of 1.7 °F/100 ft, as much primary cementing operations as squeeze. To do this, the ash beneficiation methods were realized through the processes of grinding, sifting and reburning (calcination) and then characterization by X-ray fluorescence, XRD, TG / DTG, specific surface area, particle size distribution by laser diffraction and mass specific. Moreover, the ash pozzolanic activity added to the cement at concentrations of 0%, 20% and 40% BWOC was evaluated by pozzolanic activity index with lime and with Portland cement. The evaluation of the pozzolanic activity by XRD, TG / DTG and compressive strength confirmed the ash reactivity and indicated that the addition of 20% in the composition of cement slurries produces improvement 34% in the mechanical properties of the slurry cured. Cement slurries properties evaluated by rheological measurements, fluid loss, free fluid, slurry sedimentation, thickening time and sonic strength (UCA) were satisfactory and showed the viability of using the sugarcane ash in cement slurries composition for well cementing

Contribuição para o conhecimento sobre o efeito da utilização de material pozolânico no fabrico de betão

O presente trabalho, realizado no âmbito da Tese de Mestrado, tem como principal objectivo estudar as características pozolânicas dos materiais da zona de Arganil para substituição parcial do cimento Portland com o objectivo de intensificar certas qualidades devido à diminuição da porosidade do betão. Estas qualidades são interessantes quando se procura maior durabilidade. Para tal, foram realizados diversos ensaios para a caracterização física, química e mineralógica dos produtos. Os metacaulinos utilizados foram obtidos de amostras de argila submetidas a calcinação (750oC, durante uma hora), processo que permitiu a desidroxilação quase total da matéria-prima, transformando esta numa fase amorfa e irreversível, com propriedades pozolânicas. São apresentados os resultados dos ensaios de caracterização da matéria-prima, das condições de calcinação e do produto resultante da desidroxilação, nomeadamente a determinação da pozolanicidade e superfície específica e das características fundamentais para a aplicabilidade do produto. Descreve ainda o emprego do metacaulino em betões de resistência convencional. Estudou-se a influência do emprego do metacaulino (15% de substituição de cimento, em massa) na resistência à flexão e à compressão (aos 28 dias) em argamassas e o emprego de metacaulino (10%, 15% e 20% de substituição de cimento, em massa) na resistência à compressão (3, 7 e 28 dias) no betão.

Pozzolanic behavior of bamboo leaf ash: Characterization and determination of the kinetic parameters

The paper presents a characterization and study of the pozzolanic behavior between calcium hydroxide (CH) and bamboo leaf ash (BLAsh), which was obtained by calcining bamboo leaves at 600 degrees C for 2 h in a laboratory electric furnace. To evaluate the pozzolanic behavior the conductometric method was used, which is based on the measurement of the electrical conductivity in a BLAsh/CH solution with the reaction time. Later, the kinetic parameters are quantified by applying a kinetic-diffusive model. The kinetic parameters that characterize the process (in particular, the reaction rate constant and free energy of activation) were determined with relative accuracy in the fitting process of the model. The pozzolanic activity is quantitatively evaluated according to the values obtained of the kinetic parameters. Other experimental techniques, such as X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM), were also employed. The results show that this kind of ash is formed by silica with a completely amorphous nature and a high pozzolanic activity. The correlation between the values of free energy of activation (Delta G(#)) and the reaction rate constants (K) are in correspondence with the theoretical studies about the rate processes reported in the literature. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.