Dissertação
Influência da morfologia da etringita na expansão de pastas cimentícias contendo nanocarbonato de cálcio
Influence of etringite morphology on the expansion of cementitious paste containing calcium nanocarbonate
Registro en:
MENDONÇA, Kelly Roberta Moura. Influência da morfologia da etringita na expansão de pastas cimentícias contendo nanocarbonato de cálcio. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2023.
Autor
Mendonça, Kelly Roberta Moura
Institución
Resumen
Understanding and predicting the physicochemical susceptibilities of cementitious materials is a
challenge, because they are formed by a mixture of various constituents with different properties.
The challenge increases when supplementary materials and additives are used in its composition,
such as calcium carbonate, which is commonly used to make cement production more sustainable.
There is a growing interest in improving these materials properties, and thereby reducing the
influence of undesirable chemical reactions that affect its durability, such as expansion due to
delay ettringite formation in already hardened cements. Several studies showed that it is not just
about of the ettringite presence and quantity, but that the ettringite morphology and distribution
in the microstructure of the cementitious matrix can affect the expansion mechanism of
components and construction systems. For the microstructure characterization and analysis it is
necessary to stop the hydration reaction. However, there are no conclusive studies on how drying
methods affect the evolution of cement hydration phases, mainly for those minorities such as
ettringite, even if relevant for durability. Therefore, the work was divided into two parts: 1) To
analyze the influence of drying methods on the ettringite morphology and microstructure in
cementitious pastes in the presence of calcium nanocarbonate; 2) To analyze the influence of the
presence of calcium nanocarbonate on the ettringite morphology and microstructure in
cementitious paste and its correlation with expansion. The samples were submitted to x-ray
diffraction (DRX), thermogravimetric (TGA/DTG), scanning electron microscopy (SEM),
expansion and porosity analyses. Regarding the study 1, it was observed that the presence of
nanocarbonate delayed the hydration of the C2S and C3S phases more than it affected the
formation of the ettringite phase. The methods involving vacuum better preserved the ettringite
crystalline structure, but the methods that included oven were more efficient in stopping the
cement hydration reaction. Among the methods involving an oven, drying at 100 °C showed the
lowest percentage of the ettringite phase, reflecting in the accentuated dehydration of this phase.
It was noted at higher temperatures the presence of less developed crystals, and reduced volume
ranges from 0.000-0.150μm3
. In study 2, the highest expansion values at 180 days (0.111%) were
found for samples containing excess sulfate ions and with replacement of calcium nanocarbonate.
The results indicate that the calcium nanocarbonate presence influences the distribution of
ettringite crystals in the paste, the predominance of ettringite crystals in the grasses shape, and
also the reduction of the monosulfates sizes, predominating between 0.2-0.3μm, the combination
of the factors may have interfered in the expansion process. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Compreender e prever as suscetibilidades físico-químicas dos materiais cimentícios é um desafio,
pois são formados por uma mistura de vários constituintes com diferentes propriedades. O desafio
aumenta quando são empregados em sua composição materiais suplementares e aditivos, como o
carbonato de cálcio, que é comumente empregado para tornar a produção do cimento mais
sustentável. Existe um crescente interesse em melhorar as propriedades desses materiais, e com
isso reduzir a influência de reações químicas indesejáveis que acometem a sua durabilidade, como
a expansão por formação de etringita tardia em cimentos já endurecidos. Diversos estudos
mostraram que não se trata somente da presença e quantidade da etringita, mas que a morfologia
e distribuição da etringita na microestrutura da matriz cimentícia podem afetar o mecanismo de
expansão dos componentes e sistemas construtivos. Para a caracterização e análise da
microestrutura é necessário a paralisação da reação de hidratação. Entretanto não existem estudos
conclusivos sobre como os métodos de paralisação afetam a evolução das fases na hidratação do
cimento, principalmente para aquelas minoritárias como a etringita, ainda que relevante para a
durabilidade. Sendo assim, o trabalho foi dividido em duas partes: 1) Analisar a influência dos
métodos de paralisação na morfologia e microestrutura de etringita em pastas cimentícias na
presença de nanocarbonato de cálcio; 2) Analisar a influência da presença do nanocarbonato de
cálcio na morfologia e microestrutura de etringita em pasta cimentícia e sua correlação com
expansão. As amostras foram submetidas às análises de difração de raios-x (DRX),
termogravimétrica (TGA/DTG), microscopia eletrônica de varredura (MEV), expansão e
porosidade. Quanto ao Estudo 1, observou-se que a presença do nanocarbonato retardou mais a
hidratação das fases C2S e C3S do que a formação da fase etringita. Os métodos que envolveram
vácuo preservaram melhor a estrutura cristalina da etringita, mas os métodos que incluíram estufa
foram mais eficientes na paralisação da reação de hidratação do cimento. Dentre os métodos que
envolveram estufa, a secagem a 100 °C apresentou o menor percentual da fase etringita, refletindo
na acentuada desidratação desta fase. Notou-se em temperaturas mais altas a presença de cristais
menos desenvolvidos, e intervalos de volume reduzidos de 0.000-0.150μm3
. No estudo 2, os
maiores valores de expansão aos 180 dias (0,111%) foram encontrados para as amostras contendo
excesso de íons sulfato e com substituição de nanocarbonato de cálcio. Os resultados indicam que
a presença do nanocarbonato de cálcio influência a distribuição dos cristais de etringita na pasta,
predominância de cristais de etringita em forma de relvas, e na redução do intervalo de tamanho
dos monossulfatos predominando entre 0.2-0.3μm, a combinação dos fatores podem ter
interferido no processo de expansão. São Cristóvão