The Master’s thesis is focused on a study of the effect of increased content of heavy metals present in a raw meal on the formation and properties of prepared clinker and acquired cement. Main attention is devoted to changes on the physical, mechanical, microstructural and hydration properties. The theoretical part contains an overview of clinker minerals occurring in Portland cement including the possibility of incorporation of heavy metals into their structure and affecting the properities of the cement. In the experimental part, there is compared the effect of heavy metal oxides on the composition and hydration properties of portland clinker and physical-mechanical and microstructural properities of cement pastes prepared from this clinker.

Concrete, one of the world’s most important building materials is formed when cement is mixed with aggregates and reacts with water. The reaction is called hydration. Production of cement involves conversion of limestone and clay minerals into cement clinker in a kiln at high temperatures. The process requires high amounts of energy and causes substantial carbon emissions due to calcination of limestone and combustion of fuels, and the need for carbon neutral clinker products have never been greater. Heidelberg Materials Cement Sverige AB has multiple ongoing projects to reduce the carbon footprint of their clinker products. In essence, this is made possible by diluting the clinker with supplementary cementitious materials (SCM), electrification of the kiln, and carbon capture and storage (CCS). During tests of such applications in pilot and industrial scales it is necessary to evaluate the cement clinker manufactured for its ability to act as a binder in concrete. Such properties are collectively termed hydraulic reactivity and depend on the rate and extent to which the anhydrous components (alite, belite, aluminate, ferrite) in the cement react with water to form structural strength. The primary hydration products are Calcium-silicate-hydrate (C-S-H) and portlandite (CH). Due to lack of routines for clinker reactivity testing, especially for small batches, new methods and guidelines for reactivity tests has become highly sought after. Therefore, this work has aimed to develop a method for laboratory grinding of clinkers and then to study their hydration reactions by isothermal conductive calorimetry (ICC), Rietveld refinement quantitative x-ray diffraction (XRD) and thermogravimetric analysis (TGA). The goal of the work has been to provide a grinding method for laboratory cement preparation and a protocol for clinker reactivity evaluation. A fundamental requirement has been that the results of the methods must be comparable with Heidelberg Materials’ conventional standard methods. The work was initiated with a literature review on cement clinker manufacture, its hydration kinetics and reactivity tests. Industrial reference clinkers were used to develop the grinding method, and finally, reactivity tests with ICC, XRD and TGA were conducted on multiple clinkers of different origins. The grinding method developed in this work gave a fineness resembling the conventional grinding method but slightly coarser. Consequently, the heats measured in ICC for the clinkers studied were also comparable to previous analyses by conventional methods. This was a direct result of the reactivity being dependent on the specific surface area of the cement particles. Thanks to this, the newly developed grinding method and reactivity test by ICC may be incorporated into Heidelberg Materials standard methods. Hydrates formation and clinker mineral consumption were studied in XRD and TGA. The two techniques were used as cross-validation of one another. In summary, these yielded more in-depth information about the hydration of cements than provided by ICC and gave insights into what minerals and reactions were responsible for each clinker’s reactivity. However, the XRD and TGA results contained significant errors at some times, and further development is necessary before using them as part of a standard routine. This was mainly due to errors tied to sample preparation. Some necessary improvements are better Rietveld refinement, prevention of XRD sample carbonation, and addition of a separate ettringite analysis in TGA. Despite this, the methods show great promise, as highly correlating results were reached between methods when the sources of error were managed. For future work, it is suggested that the protocol is expanded and applied to also evaluate SCM’s. / Betong är ett av världens viktigaste byggmaterial och bildas när cement blandat med aggregat reagerar med vatten. Reaktionen kallas hydratation. Cement i sin tur tillverkas genom omvandling av kalksten och lermineraler till cementklinker vid hög temperatur i en roterugn. Denna process är mycket energikrävande och genererar stora koldioxidutsläpp från råmaterialen och bränslet. Till följd av detta har ett starkt och omedelbart behov av klimatvänliga klinkerprodukter uppstått. Heidelberg Materials Cement Sverige AB arbetar ständigt med att hitta nya lösningar till produktionen för att minska dess klimatavtryck. En viktig del i denna minskning är att späda ut klinkern med alternativa bindemedel (SCM), elektrifiering av bränningsprocessen och uppfångning samt lagring av koldioxid (CCS). Förändringar i den industriella processen förändrar dock klinkern vilket kan påverka cementets förmåga att agera som bindemedel i betong. Dessa egenskaper kallas kollektivt för hydraulisk reaktivitet, och beror på både hastigheten och i vilken utsträckning klinkermineralerna alit, belit, aluminat och ferrit hydratatiseras för att bilda calcium-silikat-hydrat (C-S-H) och portlandit (CH) och på så vis skapa tryckhållfasthet. I och med försök på industriell- och pilotnivå har det blivit önskvärt att kunna utvärdera reaktiviteten hos klinker. Eftersom det idag delvis fattas rutiner för detta, så har detta arbete syftat till att utveckla en metod för laboratoriemalning av klinker i små batcher, samt att studera hydratationen av den malda klinkern med isotermisk konduktions kalorimetri (ICC), kvantitativ röntgendiffraktion med Rietveld metoden (XRD) och termogravimetrisk analys (TGA). Projektets mål har varit att färdigställa en sådan malningsmetod och att förse företaget med ett protokoll för utvärdering av reaktiviteten. Ett grundläggande krav för de utvecklade metoderna är att deras resultat ska vara jämförbara med Heidelberg Materials konventionella standardmetoder. Arbetet sjösattes med en litteraturstudie på ämnet klinkerproduktion, cementhydratation och reaktivitetstester av cement och alternativa bindemedel. Därefter utvecklades malningsmetoden med hjälp av industriell referensklinker. Slutligen testades dessa och ett antal andra klinkers, både framställda i laboratorieugn och industriellt, för reaktivitet med ICC, XRD och TGA. Malningsmetodens resultat blev något grövre, men ändå i hög grad jämförbart med dagens konventionella metod. Denna skillnad är dock liten och förutsägbar. Därför blev också uppmätt värme i ICC jämförbart med tidigare värden från den konventionella metoden. På grund av den något grövre malningen, vilket leder till mindre reaktionsyta för cementet-vatten-fasen, så blev värmeutvecklingen i ICC alltid något lägre jämfört med den konventionella metoden, dock aldrig utanför gränserna för vad standardmetodens reproducerbarhet är. Tack vare detta dras slutsatsen att protokollet kommer vara relevant och lämpligt för introduktion i industrin. Cementens reaktivitet studerades också i högre detalj med hjälp av TGA och XRD, vilka användes för extern validering av varandra. Medan dessa metoder ger viktig information om varje enskild fas i den åldrande pastan, så är slutsatsen att de är i fortsatt behov av utveckling. Detta har mest att göra med provberedningen. Nödvändiga förbättringar är bättre Rietveld kvantifiering med fler prover och försiktigare provberedning för att förhindra karbonatisering av cementpastorna. TGA metoden kan enkelt förbättras och uppnå avsevärt bättre resultat endast genom införandet av en separat analys av ettringit. Trots detta så visar de två metoderna hög korrelation mellan varandra då provberedningen fungerat som avsett, vilket är lovande och innebär att man med dessa enkla förslag kan skapa en metod som ger information om ett cements reaktivitet i mycket högre detalj än vad som är möjligt med dagens standardmetoder. Som förslag till framtida arbeten ges att protokollet bör utökas till att även bedöma prestandan av alternativa bindemedel vid spädning av klinker. / Cemzero