Development and characterization of an amorphous-wollastonitic hydraulic binder : a contribution to carbon neutrality in the cement industry

Mónica Sofia Hoyos Antunes

Key information

Authors:

Mónica Sofia Hoyos Antunes (Mónica Sofia Hoyos Antunes)

Supervisors:

Rogério Anacleto Cordeiro Colaço (Rogério Anacleto Cordeiro Colaço); Rodrigo Manuel Lino dos Santos (Rodrigo Manuel Lino dos Santos); Ricardo Manuel Simões Bayão Horta (Ricardo Manuel Simões Bayão Horta)

Published in

09/19/2024

Abstract

É esperado que o uso e a procura de cimento Portland (OPC) aumente a nível global aumentando também a sua necessidade de produção. No entanto, o processo de fabrico de OPC contribui significativamente para as emissões antropogénicas de CO2, devido à descarbonatação de calcário e à combustão de combustíveis fosseis. Uma proposta alternativa é a produção de um ligante hidráulico com uma composição de cálcio semelhante à wollastonite e um elevado teor de amorfização. As emissões de CO2 relacionadas com o seu processo de fabrico são, inferiores às do OPC. Esta tese, é uma continuação na investigação deste ligante e tem como objetivo compreender as reações do material, melhorar as condições de produção e aplicação, e testar a influência do uso de materiais cimentícios suplementares (SCM) com o ligante. No estudo da reação hidráulica, foi proposto um mecanismo de hidratação, tendo em conta os princípios de dissolução, e foi calculada a energia de ativação da reação. Os resultados indicam que a ativação do ligante com uma solução de silicato de sódio é essencial para obter resultados competitivos na resistência à compressão a idades jovens. Portanto, nesta tese foi analisada a otimização do rácio SiO2/Na2O no ativador e estudada uma via alternativa para a sua síntese e aplicação. Os resultados de energia de ativação indicam que o produto de hidratação deste ligante é estruturalmente diferente aos produtos de hidratação dos principais componentes do OPC. A influencia do armazenamento devido à carbonatação superficial do ligante anidro foi também investigado. De modo a melhorar a produção do material, foram realizados estudos sobre a influência do aumento do teor de Al2O3 e MgO no clinker. Foi possível aumentar o teor até 12 e 8%wt, respetivamente, sem comprometer o desempenho do ligante. Este aumento de materiais fundentes permitiu a redução na temperatura máxima de produção de 1550 para 1450ºC. Finalmente, foi estudado a influencia de 25%wt de substituição de clinker por diferentes SCMs. Os resultados indicam que a solução alcalina ativou a escoria moída de alto forno, resultando numa sinergia entre o ligante e o SCM Este trabalho tem como objetivo aprofundar os conhecimentos das propriedades deste ligante e melhorar o seu método de produção e ativação, de modo que uma futura transição para uma escala industrial possa ser realizada. The continuous demand for essential infrastructure increases the need for Ordinary Portland Cement (OPC) production. However, OPC significantly contributes to CO2 emissions due to the limestone decarbonation and fossil fuel combustion associated with its production. A solution proposed is a slag-based hydraulic binder with a calcium composition similar to wollastonite and a high amorphous content. This alternative has lower process-related CO2 emissions than OPC. This thesis is a continuation of previous research and aims to understand the material reactions, refine production and application, and test the influence of using supplementary cementitious materials with the binder The study of hydraulic reaction of this binder involves proposing a hydration mechanism based on dissolution principles and the calculation of apparent activation energy. The apparent activation energy results suggest the formation of structurally different hydration products than the primary components of OPC. Since the results indicate that a sodium silicate activator is essential to obtain competitive compressive strength at early ages, this thesis also proposes a SiO2/Na2O ratio optimization and a cost-effective route for activator synthesis and application. Furthermore, the aging effects due to superficial carbonation of the anhydrous binder were also assessed. To improve production, in this thesis, a study on the increase in Al2O3 and MgO content in the clinker, up to 12% and 8%wt, respectively, without compromising the binder performance was achieved. The increase of these fluxing materials also allowed the decrease in process temperature from 1550ºC to 1450ºC. Finally, the influence of replacing 25% of the binder with different SCMs was investigated. The results showed that the alkaline solution activated the ground granulated blast-furnace glass, resulting in synergy between the binder and the SCM. This work aims to further understand the properties of this binder and improve its production method and activation process so that a transition to an industrial scale can be performed.