This diploma thesis is focused on the study of the properties of polymer-modified cementitious mortars which using pozzolanic active materials based on amorphous silica. Explores the possibilities of using the recycled glass as a partial replacement of cement in PMM. Properties of mortars are reviewed in mineralogical and technological point of view. For specification of the results were used the analysis RTG, DTA and REM.

[ES] Una alternativa para reducir el consumo de materias primas y los impactos ambientales derivados del cemento Portland es la sustitución parcial del clínker por adiciones minerales de subproductos agroindustriales. El objetivo de este trabajo fue investigar los efectos de la extracción de potasio sobre la reactividad de las biopuzolanas a partir de cenizas puras de caña de azúcar y caña energética, y evaluar las ganancias ambientales potenciales en compuestos de cemento Portland, buscando producir cenizas reactivas y sostenibles, y potasio para su aplicación como fertilizante. La caña energética y la caña de azúcar se caracterizaron morfológicamente mediante microscopio electrónico de barrido y EDS, se analizó el suelo recolectado durante la extracción de ambas variedades. Ambas cañas fueron calcinadas a una temperatura de 600 °C con una velocidad de 4 °C/min y un tiempo de exposición de 120 min. Las cenizas fueron lavadas para la extracción de potasio, cloro y azufre, y molidas para obtener el mismo rango granulométrico, luego se realizó el análisis de la solución extraída del lavado, y, por otra parte, sobre las cenizas se llevaron a cabo los análisis de masa específica real, granulometría, fluorescencia de rayos X, pérdida al fuego, difracción de rayos X, termogravimetría, microscopía electrónica de barrido con EDS, y determinación de sílices amorfa y cristalina. En pastas de hidróxido de calcio y puzolanas se realizó análisis de fijación de cal por termogravimetría, microscopía electrónica de barrido con EDS, evaluación de reactividad puzolánica por conductividad y pH, y método de Frattini. En las pastas de puzolanas y cemento se realizó la prueba de porosidad por intrusión de mercurio. Se evaluó la influencia de las cenizas y humo de sílice en el comportamiento de los morteros de cemento Portland, con ensayos de masa específica, absorción de agua, porosidad aparente, resistencia a la compresión y carbonatación acelerada. Se utilizó la técnica de Evaluación del Ciclo de Vida para evaluar los impactos ambientales potenciales de los morteros con reemplazo parcial de ceniza de caña energética, de caña de azúcar y humo de sílice en comparación con el mortero de referencia (sin reemplazos). La quema de caña energética genera un 78% más de ceniza en comparación con la caña de azúcar. Las cenizas de hoja de la caña energética presentaron mayor cantidad de sílice que las de caña de azúcar; por otro lado, los tallos presentaron un alto contenido de potasio. El análisis de la solución de lavado de ceniza indicó la posibilidad de utilizar esta solución en fertirrigación debido a los altos valores de potasio y azufre en el agua. El humo de sílice, la ceniza de paja de caña de azúcar, la ceniza de paja de caña energética y la mezcla de cenizas de caña energética (tallo y paja) fueron las muestras que presentaron alta puzolanicidad. Los morteros con sustitución del 10% de cenizas, fueron los que presentaron mejores resultados en cuanto a resistencia mecánica. En general, la sustitución de contenidos superiores al 10% de ambas cenizas mejora considerablemente el comportamiento ambiental de los morteros, debido al menor consumo de cemento, y a la generación de los subproductos de la extracción de sacarosa, (como el residuo filtrado y vinaza) y el potasio extraído del lavado de las cenizas, que evitan la producción de agroquímicos para la agricultura. Teniendo en cuenta el comportamiento ambiental y la resistencia a la compresión, los morteros con mejores resultados son aquellos con un 10% de ceniza de caña energética, ya que alcanzan los valores más altos de resistencia a la compresión y buenos valores de desempeño ambiental. Por lo tanto, la ceniza de la caña de azúcar y de la caña energética se pueden utilizar para su incorporación en materiales cementantes, especialmente la ceniza de caña energética. Sin embargo, el potasio y el cloro deben extraerse hasta que estén dentro de los niveles aceptables para su uso en compuestos de cemento. / [CA] L'alternativa per a reduir el consum de matèries primeres i els impactes que origina la producció de ciment Pòrtland implicaria substituir parcialment el clínquer per minerals obtinguts de subproductes agroindustrials. L'objectiu d'aquest treball és investigar els efectes de l'extracció del potassi en la reactivitat de les bioputzolanes, a partir de les cendres de la canya de sucre i de la canya energètica, i a més a més avaluar els beneficis ambientals com a component del ciment Pòrtland. La finalitat seria produir cendres reactives més sostenibles que podran ser utilitzades com a putzolanes, així com potassi com a fertilitzant. La canya de sucre i la canya energètica es caracteritzaren morfològicament mitjançant microscòpia electrònica de rastreig amb espectroscòpia d'energia dispersiva de raigs X, i es va analitzar el sòl després de la recol·lecció de les plantes. Ambdues canyes foren calcinades a 600¿°C de temperatura, a una velocitat d'escalfament de 4¿°C/min durant un temps màxim d'exposició de 120 minuts. Després de la calcinació, les cendres foren rentades per a extraure el potassi, el clor i el sofre i a continuació foren moltes fins a obtindre la granulometria adequada. Finalment, es va fer l'anàlisi de la solució aquosa del rentat, i diferents anàlisis de les cendres: massa específica real, granulometria làser, fluorescència de raigs X, pèrdua al foc, difracció de raigs X, termogravimetria, microscòpia electrònica de rastreig amb espectroscòpia d'energia dispersiva de raigs X, avaluació de reactivitat putzolànica per conductivitat i pH, i mètode Frattini. Les pastes de putzolana i de ciment se'n van sotmetre a la prova de porositat per intrusió de mercuri. Es va avaluar com influeix la cendra de la canya de sucre, la cendra de la canya energètica i el fum de sílice en els morters de ciment Pòrtland, amb assajos de massa específica, absorció d'aigua, porositat aparent, resistència a la compressió i carbonatació accelerada. La tècnica d'Avaluació del Cicle de Vida, va ser utilitzada per a valorar els impactes ambientals possibles dels morters amb substitució parcial de cendra de canya de sucre, cendra de canya energètica i fum de sílice i comparar-los amb els morters de referència (sense reemplaçaments). La canya energètica genera un 78% més de cendra per hectàrea que la canya de sucre tradicional, per altra banda, les cendres de les fulles de la canya energètica tenen un major contingut de sílice i la tija una gran quantitat de potassi. Els resultats de l'anàlisi de les solucions de les cendres rentades, ens indiquen que és possible utilitzar aquesta solució en fertirrigació per l'alt contingut en potassi i sofre. El fum de sílice, la cendra de la palla de la canya de sucre, la de la palla de canya energètica i LA de la mescla de canya energètica (tija i palla) foren les mostres amb millors resultats de reactivitat putzolànica. Els morters substituïts amb un 10% de cendra de canya de sucre i de cendra de canya energètica són els que presentaren millors resultats de resistència mecànica. En general, amb substitucions superiors al 10% de les cendres de canya de sucre i de canya energètica millora considerablement el comportament ambiental dels morters, gràcies a un menor consum de ciment, i a la generació de subproductes de l'extracció de sacarosa (com residus de filtres i vinassa), i del potassi obtingut de rentar les cendres que eviten la producció de productes químics per a l'agricultura. Si tenim en compte el comportament ambiental i la resistència a la compressió, els morters amb un 10% de cendra de canya energètica són els que presenten millors resultats, ja que registren els valors més alts a la compressió. En resum, podem afirmar que les cendres de la canya de sucre i de la canya energètica poden ser utilitzades per a afegir-les als materials cimentants, especialment, la cendra de canya energètica, sempre que els nivells de potassi i clor estiguen dins dels nivells permesos per al seu ús en el ciment. / [EN] An alternative to reduce the consumption of raw materials and the environmental impacts arising from the production of Portland cement is the partial replacement of clinker by mineral additions using agro-industrial by-products. The present research aimed to investigate the effects of potassium extraction on the reactivity of biopozzolans from from sugarcane and energy cane, and to evaluate the potential environmental gains of its use in Portland cement composites, seeking to produce reactive and sustainable ash that can be used as pozzolan and potassium for application as a fertilizer. Energy cane and sugar cane were morphologically characterized using a scanning electron microscope and X-ray energy dispersive spectroscopy, and the soil ,in which both varieties grew, analyzed. Both canes were calcined at a temperature of600 °C with a heating rate of 4 °C/min and a maximum exposure time of 120 min. After burning, the ashes were washed for the extraction of potassium, chlorine and sulfur and, then ground to obtain the same granulometric range; the analysis of the solution extracted from the washing was carried out, and, for the obtained ashes, real specific mass, laser granulometry, X-ray fluorescence, loss on fire, X-ray diffraction, thermogravimetry, scanning electron microscopy with X-ray energy dispersive spectroscopy and determination of amorphous and crystalline silica were carried out. In calcium hydroxide/ash pastes, the lime fixation analysis by thermogravimetry, scanning electron microscopy with X-ray energy dispersive spectroscopy, pozzolanic reactivity evaluation by conductivity and pH, and Frattini method were performed. In cement/ash pastes, the porosity test by mercury intrusion was carried out. The influence of energy cane ash, sugar cane and silica fume on the performance of Portland cement mortars was evaluated, by means specific mass, water absorption, apparent porosity, compressive strength and accelerated carbonation tests. The Life Cycle Analysis technique was used to assess the potential environmental impacts of mortars with partial replacement of energy cane ash, sugar cane ash and silica fume compared to the reference mortar (without replacements). The burning of energy cane generates 78% more ash per hectare compared to conventional sugarcane, the leaf ashes of the energy cane had a higher amount of silica than the sugar cane one; on the other hand, the stalks showed high potassium content. The analysis of the ash washing solution indicated the possibility of using this solution in fertigation due to the high values of potassium and sulfur that were solubilized in the water. Silica fume, sugar cane straw, energy cane straw, and the mixture of energy cane (stem and straw) were the ashes that showed high pozzolanicity. The mortars with replacement of 10% of sugarcane ash, and 10% of energy cane, were the ones that presented the best results in terms of mechanical strength. In general, the substitution of contents above 10% of sugarcane and energy cane ashes improves the environmental performance of mortars considerably, due to the lower consumption of cement, the co-products generated in the extraction of sucrose, such as filter and vinasse, and the potassium extracted from washing the ash, which avoid the production of agrochemicals for agriculture. Taking into account environmental performance and compressive strength, the mortars with the best results are those with 10% energy cane ash, as they achieve the highest compressive strength and good environmental performance values. Thus, ashes from sugarcane and energy cane can be used for incorporation into cementitious composites, especially energy cane ash. However, potassium and chlorine must be extracted until they are within acceptable levels for the use of ashes in cementitious composites. / Pitolli Lyra, G. (2023). Aplicação das cinzas da indústria sucroalcooleira como biopozolanas e Kfertilizante: cana-de-açúcar e cana-energia [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193853

The world is facing a major climate threat where carbon dioxide emissions are in focus. At the same time, society requires new buildings and developed infrastructure. Concrete is one of the most common building materials and 30 billion tonnes are produced annually, which corresponds to about 6 percent of the world's carbon dioxide emissions. The majority of carbon dioxide emissions occur during cement production. Sweden's long-term climate goal is that by 2045 there will be no net emissions to the atmosphere. To achieve this, a major change is required in the concrete and cement industry. Carbon dioxide emissions can be reduced by reducing the amount of cement in concrete and replacing the reduced amount with a supplement. Materials with pozzolanic properties have been shown to work well as binders in concrete. Pozzolan materials contain a high content of silica which reacts well with calcium hydroxide in cement. Oat and rice husk ash that is burned under the right conditions has shown good pozzolanic properties. The purpose of this thesis is to optimize a concrete recipe that will result in reduced carbon dioxide emissions by reducing the amount of cement. The reduced amount of cement is replaced with rice husk ash. The report is based on laboratory work where concrete recipes are mixed, measured for density, tested for set and spread measurements and cast into cubes for later tensile strength testing. The results from the laboratories showed that rice husk ash as a binder in concrete provides high early compressive strength, high density through particle compaction and becomes self-compacting without stone separation. One conclusion that can be drawn is that rice husk ash as a supplement to cement can reduce the amount of carbon dioxide emissions by 54 percent. / Världen står inför ett stort klimathot där koldioxidutsläppen står i fokus. Samtidigt är samhället i behov av nya bostäder och utvecklad infrastruktur. Betong är ett av de vanligaste byggnadsmaterialen och det produceras årligen 30 miljarder ton, vilket motsvarar cirka 6 procent av världens koldioxidutsläpp. Majoriteten av koldioxidutsläppen sker vid cementtillverkningen. Sveriges långsiktiga klimatmål är att år 2045 inte ha några nettoutsläpp till atmosfären. För att uppnå detta krävs en stor förändring i betong- och cementindustrin. Koldioxidutsläppen kan minskas genom att reducera mängden cement i betongen och ersätta den reducerade mängden med ett supplement. Material med puzzolana egenskaper har visat sig fungera bra som bindemedel i betong. Puzzolana material innehåller en hög halt av kiseldioxid som reagerar bra med kalciumhydroxid i cement. Havre- och risskalaska som bränns under rätt process har uppvisat bra puzzolana egenskaper. Syftet med det här examensarbetet är att optimera ett betongrecept som ska resultera i minskade koldioxidutsläpp genom att reducera mängden cement. Den reducerade mängden cement ersätts med risskalaska. Rapporten bygger på laborationer där betongrecept blandas, mäts för densitet, testas för sätt- och utbredningsmått samt gjuts i kuber för senare tyckhållfasthetsprover. Resultatet från laborationerna visade att risskalaska som bindemedel i betong ger hög tidig tryckhållfasthet, hög densitet genom partikelpackning samt blir självkompakterande utan att stenseparation sker. En slutsats som kan dras är att risskalaska som supplement till cement kan reducera mängden koldioxidutsläpp med 54 procent.

Due to high rates of emissions of carbon dioxide released in cement production, an alternative to minimize this pollution is the use of rice husk ash in concrete as partial cement replacement. This research aims to investigate the technical feasibility, and the mechanical properties of the use of rice husk ash in concrete for structural purposes. Rice husk ash content to 15% by mass replacement of cement CPII-Z and CPIV were used in natural state and ground in a ball mill and compared with the reference concrete, with three water/binder relationships: 0.45; 0.55 and 0.65. Mechanical strength tests by axial compression and diametral compression at ages 28 and 91 days and elasticity modulus at 28 days were performed. The 28 days results indicated axial compression strength, modulus of elasticity and diametrical compression strength below the reference at 91 days and the concrete results with mineral admixtures were similar to the reference concrete. The mixtures containing CPII-Z, presented higher axial compressive strength than CPIV, because the higher cement consumption compared with the CPII-Z with the same w/b relationship. This fact coupled with the presence of high levels of fly ash, classifies cement CPIV with resistance to higher environmental aggressiveness, which represents more durability and useful life. It was found that mixtures containing CCAN reduced axial compressive and diametral strength compared with CCAM, because of the smaller chemical reactivity and bigger particles of CCAN compared with ground rice husk ash. These differences between the mixtures were not relevant, being about 10% and consumption of about 20 kg/m³ in relation to the same w/b compared with mixtures of CCAM for the two cement types. In conclusion, the results of the tests show that there is technical feasibility for the use of natural rice husk ash in structural concrete due to the differences observed with the ground mixtures were negligible. The values obtained in the tests were satisfactory for natural rice husk ash and ground rice husk ash with sligth advantage for the latter compared to first one, because both developed axial compressive and diametral strength and elasticity modulus similar to the reference concretes. These results reveal the greater sustainability to the concrete utilizing agriculture by-products, contributing to reducing the pollutants emissions and the global warming, due to decreased use of clinker in the mixtures. / Devido às altas taxas de emissão de dióxido de carbono liberado na produção do cimento, uma alternativa para minimizar esta poluição é o uso parcial de cinza de casca de arroz no concreto em substituição ao cimento. Esta pesquisa teve o objetivo de investigar a viabilidade técnica, quanto às propriedades mecânicas do emprego de cinza de casca de arroz natural (sem moagem) e moída, em concretos para fins estruturais. Foram utilizadas cinza de casca de arroz com teor de 15% em substituição em massa de cimento CPII-Z e CPIV, nas formas moída em moinho de bolas e natural (sem beneficiamento), e comparadas com o concreto de referência, com três relações água/aglomerante: 0,45; 0,55; e 0,65. Foram executados os ensaios de resistência por compressão axial e compressão diametral nas idades de 28 e 91 dias e módulo de elasticidade aos 28 dias. Os resultados aos 28 dias indicaram resistências axiais, módulo de elasticidade e resistência por compressão diametral inferiores ao de referência; aos 91 dias, os resultados dos concretos com adições minerais foram semelhantes ao concreto de referência. As misturas com cimento CPII-Z apresentaram resistências à compressão axial superiores com CPIV, este com consumo de cimento maior nas relações a/ag do que o anterior. Tal fato, aliado com a presença de altos teores de cinza volante, classifica o cimento CPIV com maior resistência à agressividade ambiental de agentes deletérios como cloretos e carbonatação, o que representa maior durabilidade frente aos agentes agressivos. Também foi constatado que as misturas com CCAN tiveram menores resistências mecânicas comparadas com CCAM, em razão de a CCAN possuir partículas maiores e reatividade química menor do que a cinza moída. Estas diferenças entre os dois tipos de misturas não se revelaram significativas, ficando em aproximadamente 10%, e consumo, em torno de 20 kg/m³ em igualdade de relação a/ag se comparadas com as misturas de CCAM para os dois tipos de cimentos. Como conclusão, os resultados obtidos nos ensaios revelam que existe viabilidade técnica para o emprego de cinza de casca de arroz natural no emprego em concreto estrutural, em razão de as diferenças constatadas com as misturas com CCA moída terem sido pouco significativas. Os valores obtidos nos ensaios foram bastante próximos, tanto para cinza de casca de arroz natural como moída, com vantagem para esta última, pois ambas desenvolveram resistências à compressão axial, módulos de elasticidade e resistências por compressão diametral similares ao concreto de referência. Estes resultados contribuem para conferir maior sustentabilidade ao concreto pelo aproveitamento de subprodutos da agricultura, contribuindo para diminuir a emissão de poluentes na atmosfera e o efeito estufa, devido à diminuição do uso de clínquer nas misturas.

Předložená magisterská práce se zabývá možným použitím vitrifikovaného lignitového lóžového popele jako náhrada slinku v kompozitních cementech. Byly zkoumány vlivy přidaného vitrifikovaného lóžového popele, jeho jemnosti, alkalických roztoků a jejich koncentrací. Byly připraveny kompozitní cementy v souladu s normou DIN EN 197 – 1. V těchto cementech bylo nahrazeno 30 % slinku vitrifikovaným lóžovým popelem. Konkrétně byly připraveny kompozitní cementy s vitrifikovaným lóžovým popelem o jemnosti 5549 cm2/g a 8397 cm2/g. Dále byly přidány alkalické roztoky hydroxidů a síranů vždy o dvou různých koncentracích, za účelem stimulace pucolánové a/nebo geopolymerní reakce. Mechanické vlastnosti připravených vzorků byly charakterizovány mechanickým testováním na prizmách s rozměry 40×40×160 mm, jak je specifikováno v normě DIN EN 196 – 1. Byla provedena nedestruktivní měření dynamického elastického modulu a destruktivní testovaní na pevnosti v tlaku a v ohybu. Distribuce velikosti částic a chemická analýza vstupních materiálů byla vykonána pomocí laserové granulometrie a rentgenové fluorescence. U zatvrdlých kompozitů bylo dále zkoumáno po 2 a 28 dnech hydratace fázové složení s využitím metody rentgenové difrakce a mikrostruktura s využitím skenovací elektronové mikroskopie. Výsledky ukázaly, že mechanické vlastnosti jsou nezávislé na množství přidaných alkálií stejně jako na jemnosti přidaného vitrifikovaného lóžového popele. Nicméně, znatelně nižší mechanické pevnosti byly pozorovány pro vzorky, které byly aktivovány hydroxidy, pravděpodobně kvůli brzké tvorbě silikátového hydrogelu. Vzorky aktivované sírany nedosáhly pevností jako referenční malta.