Estudo de diagnóstico e inibição da reação álcali-sílica utilizando cinza volante e proteção de superfície com silicatos

Orientador: Prof. Dr. Marcelo Henrique Farias de MedeirosCoorientador: Prof. Dr. Ricardo PieralisTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. Defesa : Curitiba, 03/03/2023Inclui referências: p. 163-182Área de concentração: Materiais e EstruturasResumo: A reação álcali-sílica (RAS) é um dos principais processos deletérios que afetam as estruturas de concreto em todo o mundo. Quando se trata de durabilidade de obras de grande porte, como usinas hidrelétricas, prever o desempenho dos agregados e materiais ao longo de sua vida útil se torna fator importante. Entretanto, os testes de laboratório ainda não conseguem simular de forma efetiva o comportamento e o desenvolvimento da RAS em campo. Visando contribuir no diagnóstico e controle da reação álcali-sílica, esta pesquisa pretendeu avaliar o uso de duas ferramentas de diagnóstico e prognóstico da reação, Stiffness Damage Test (SDT) e Damage Rating Index (DRI), frente ao uso de concretos contendo agregados reativos, cinza volante e tratamentos de superfície a base de silicato de etila. Numa segunda etapa da pesquisa, os dados gerados em laboratório tiveram por objetivo calibrar e contribuir para a validação de um modelo matemático analítico. Um estudo preliminar de reatividade de quatro diferentes agregados foi conduzido, utilizando diferentes ensaios de expansão preconizados pela NBR 15577 (2018), em concretos e argamassas, a fim de determinar o potencial reativo destes agregados. Os resultados deste primeiro estudo apontaram discrepâncias entre as classificações obtidas no ensaio em barras de argamassa e concreto, indicando que o ensaio de barras de argamassa, deve ser utilizado apenas como balizador. Em seguida foram confeccionados concretos com substituição parcial do cimento por cinza volante (35% e 50%). Também foram moldados concretos nos quais foram aplicados dois tipos de tratamento de superfície a base de silicato de etila (TS28 e TS40). Todos os concretos foram confeccionados utilizando dois tipos de agregados com potencial reativo e submetidos a uma câmara para aceleração da reação álcali-sílica. Foram realizados ensaios de expansão, resistência à compressão, SDT, módulo de elasticidade e DRI, além dos ensaios de ângulo de contato e capilaridade nos concretos onde foram aplicados os tratamentos de superfície. Além destes, foram realizados ensaios microestruturais em pastas de cimento a fim de avaliar a interação dos tratamentos de superfície com a matriz de cimento. Os resultados mostraram que ambas as ferramentas utilizadas (SDT e DRI) se mostraram satisfatórias para avaliar o dano causado devido à reação álcali-sílica. Além disso, observou-se que os mecanismos de desenvolvimento dos danos causados pela RAS são semelhantes em concretos com ou sem adição da cinza volante, como também naqueles onde os tratamentos foram aplicados. Entretanto, os diferentes materiais (tratamentos e cinza volante) retardaram o desencadeamento da reação deletéria, bem como, modificaram a cinética de desenvolvimento da RAS e formação do gel. Por fim, observou-se que há um efeito escala associado ao tamanho/formato dos corpos de prova quando submetidos ao ensaio de expansão.Abstract: Alkali-silica reaction (ASR) is one of the main deleterious processes that affect concrete structures worldwide. Due to the durability of large concrete structures, such as hydroelectric power plants, it is important to predict the performance of aggregates and materials over their useful life. However, laboratory tests still cannot effectively perform the behavior and development of ASR in the field. Aiming to contribute to the control and diagnosis of the alkali-silica reaction, this research aimed to evaluate the use of two diagnostic and prognostic techniques, the Stiffness Damage Test (SDT) and the Damage Rating Index (DRI), for concretes containing reactive aggregates, fly ash, and ethyl silicate surface treatments. In the second stage of the research, the laboratory results aimed to calibrate and contribute to the validation of a mathematical and analytical model. First, to determine the reactivity of four different aggregates, expansion tests were carried out in mortars and concrete using the standard ABNT NBR 15577 (2018). The results obtained in this first study showed divergence between the classifications obtained in the mortar bars test and concrete test, shows that the mortar bars test should only be used as an indication. Concretes with partial cement replacement of fly ash (35% and 50%) were developed. Also, concretes with two types of surface treatment based on ethyl silicate were manufactured (TS28 and TS40). All concretes were manufactured using two potential reactive aggregates and submitted to ASR-induced expansion. Expansion tests, compressive strength, SDT, elastic modulus and DRI tests were carried out. In addition, contact angle and capillarity tests were realized on concretes with surface treatments. Microstructural tests were also carried out on cement pastes to evaluate the interaction of surface treatments with the cement matrix composites. The results showed that SDT and DRI tools were appropriate to evaluate the of ASR damage. Besides, it was observed that the ASR damage mechanisms are similar in concrete with or without fly ash, as well as in those where the surface treatments were applied. However, the different materials (surface treatments and fly ash) delayed the ASR progress, as well as modified the ASR-gel kinetics and formation. Finally, the expansion test showed that there is a scale effect related to the size/shape of specimens

Teste acelerado de argamassas e a combinação de adições minerais ativas com agregado potencialmente reativo

The accelerated test of mortar bars (AMBT) is the fastest to detect the reactivity of aggregates. However, it presents several limitations regarding the classification, limits and the conditions to accelerate the test. When AMBT is used to classify mineral additions that potentially inhibit RAS, NaOH solution and high temperature are crucial factors. The present work aims to investigate the effect of AMBT on the development of RAS in combinations of cement with rice husk ash and sílica fume. The induced expansion was used to assess the kinetics of RAS. In addition, the chemical and physical properties of the hydrated matrix under normal conditions of temperature and humidity and under test conditions were characterized by XRD, TGA and MIP. The fineness and particle size of rice husk ash were determinant in the mitigation of RAS. AMBT conditions are too aggressive to discard a material just by the determination of expansion. The mechanisms of action of mineral additions subjected to RAS must be better understood and evaluated by using tests that do not compromisse their development.O teste acelerado de barras de argamassa (AMBT) é o mais rápido para detectar a reatividade de agregados. Porém, apresenta diversas limitações quanto à classificação, limites determinados e as condições de aceleração do ensaio. Quando se trata do AMBT para classificar adições minerais potencialmente inibidoras da RAS, a solução de NaOH e a alta temperatura são fatores cruciais. O presente trabalho visa investigar o efeito do AMBT no desenvolvimento da RAS em combinações de cimento com cinza de casca de arroz e sílica ativa. A expansão induzida foi usada para avaliar a cinética da RAS. Além disso, as propriedades químicas e físicas da matriz hidratada em condições normais de temperatura e umidade e em condições do ensaio foram caracterizadas por DRX, TGA e MIP. A finura e o tamanho das partículas da cinza de casca de arroz foram determinantes na mitigação da RAS. As condições do AMBT são agressivas demais para descartar um material apenas pelos resultados de expansão. Os mecanismos de atuação das adições minerais frente a RAS devem ser mais bem entendidos e avaliados perante o uso de ensaios que não comprometam seu desenvolvimento

A influência da composição química e da finura no desempenho de cimentos álcali ativados obtidos com escórias de alto forno

A busca por aglomerantes de menor impacto ambiental, relacionado principalmente à emissão de CO2, temcrescido na última década, em especial, por aqueles isentos de clínquer. Cimentos álcali ativados (CAT's) sãoobtidos através da mistura de materiais sílico-cálcico-aluminosos com um ativador alcalino e, portanto, podemreduzir em até 80% a emissão de CO2 quando comparados com o Cimento Portland (CP). Pesquisasrecentes têm mostrado que CAT's podem apresentar propriedades físicas e mecânicas equivalentes ou superioresàquelas apresentadas pelo CP, entretanto, a ativação da matéria prima é complexa, pois depende dassuas características. Trabalhos recentes têm mostrado a forte influência das características da matéria-primano desempenho do CAT, porém, pouco mencionada na literatura. Assim, este estudo teve como objetivo avaliara influência das características da escória de alto forno, finura e composição química, no comportamentodos CAT's, visando contribuir no entendimento dos seus mecanismos de hidratação. Para tanto, foram empregadasduas escórias, A e B, as quais foram submetidas a diferentes tempos de moagem e, ativadas com5% de NaOH. Foram confeccionadas argamassas e pastas para testes de resistência à compressão (7 e 28 dias),monitoramento do calor de hidratação e investigação da microestrutura (DRX e DSC). Os resultadosmostraram que as argamassas confeccionadas com escória A obtiveram ótimo desempenho mecânico, comvalores próximos a 48MPa aos 28 dias, bastante superior à escória B, independente da finura e com maiorformação de CSH. A hipótese provável desse estudo é que o sistema formado no CAT com escória A, porapresentar maior teor de Al2O3, poderia propiciar a formação de CSH com maior incorporação de Al e menorcristalinidade, contribuindo na resistência mecânica

Estudo de diagnóstico e inibição da reação álcali-sílica utilizando cinza volante e proteção de superfície com silicatos

Orientador: Prof. Dr. Marcelo Henrique Farias de MedeirosCoorientador: Prof. Dr. Ricardo PieralisTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. Defesa : Curitiba, 03/03/2023Inclui referências: p. 163-182Área de concentração: Materiais e EstruturasResumo: A reação álcali-sílica (RAS) é um dos principais processos deletérios que afetam as estruturas de concreto em todo o mundo. Quando se trata de durabilidade de obras de grande porte, como usinas hidrelétricas, prever o desempenho dos agregados e materiais ao longo de sua vida útil se torna fator importante. Entretanto, os testes de laboratório ainda não conseguem simular de forma efetiva o comportamento e o desenvolvimento da RAS em campo. Visando contribuir no diagnóstico e controle da reação álcali-sílica, esta pesquisa pretendeu avaliar o uso de duas ferramentas de diagnóstico e prognóstico da reação, Stiffness Damage Test (SDT) e Damage Rating Index (DRI), frente ao uso de concretos contendo agregados reativos, cinza volante e tratamentos de superfície a base de silicato de etila. Numa segunda etapa da pesquisa, os dados gerados em laboratório tiveram por objetivo calibrar e contribuir para a validação de um modelo matemático analítico. Um estudo preliminar de reatividade de quatro diferentes agregados foi conduzido, utilizando diferentes ensaios de expansão preconizados pela NBR 15577 (2018), em concretos e argamassas, a fim de determinar o potencial reativo destes agregados. Os resultados deste primeiro estudo apontaram discrepâncias entre as classificações obtidas no ensaio em barras de argamassa e concreto, indicando que o ensaio de barras de argamassa, deve ser utilizado apenas como balizador. Em seguida foram confeccionados concretos com substituição parcial do cimento por cinza volante (35% e 50%). Também foram moldados concretos nos quais foram aplicados dois tipos de tratamento de superfície a base de silicato de etila (TS28 e TS40). Todos os concretos foram confeccionados utilizando dois tipos de agregados com potencial reativo e submetidos a uma câmara para aceleração da reação álcali-sílica. Foram realizados ensaios de expansão, resistência à compressão, SDT, módulo de elasticidade e DRI, além dos ensaios de ângulo de contato e capilaridade nos concretos onde foram aplicados os tratamentos de superfície. Além destes, foram realizados ensaios microestruturais em pastas de cimento a fim de avaliar a interação dos tratamentos de superfície com a matriz de cimento. Os resultados mostraram que ambas as ferramentas utilizadas (SDT e DRI) se mostraram satisfatórias para avaliar o dano causado devido à reação álcali-sílica. Além disso, observou-se que os mecanismos de desenvolvimento dos danos causados pela RAS são semelhantes em concretos com ou sem adição da cinza volante, como também naqueles onde os tratamentos foram aplicados. Entretanto, os diferentes materiais (tratamentos e cinza volante) retardaram o desencadeamento da reação deletéria, bem como, modificaram a cinética de desenvolvimento da RAS e formação do gel. Por fim, observou-se que há um efeito escala associado ao tamanho/formato dos corpos de prova quando submetidos ao ensaio de expansão.Abstract: Alkali-silica reaction (ASR) is one of the main deleterious processes that affect concrete structures worldwide. Due to the durability of large concrete structures, such as hydroelectric power plants, it is important to predict the performance of aggregates and materials over their useful life. However, laboratory tests still cannot effectively perform the behavior and development of ASR in the field. Aiming to contribute to the control and diagnosis of the alkali-silica reaction, this research aimed to evaluate the use of two diagnostic and prognostic techniques, the Stiffness Damage Test (SDT) and the Damage Rating Index (DRI), for concretes containing reactive aggregates, fly ash, and ethyl silicate surface treatments. In the second stage of the research, the laboratory results aimed to calibrate and contribute to the validation of a mathematical and analytical model. First, to determine the reactivity of four different aggregates, expansion tests were carried out in mortars and concrete using the standard ABNT NBR 15577 (2018). The results obtained in this first study showed divergence between the classifications obtained in the mortar bars test and concrete test, shows that the mortar bars test should only be used as an indication. Concretes with partial cement replacement of fly ash (35% and 50%) were developed. Also, concretes with two types of surface treatment based on ethyl silicate were manufactured (TS28 and TS40). All concretes were manufactured using two potential reactive aggregates and submitted to ASR-induced expansion. Expansion tests, compressive strength, SDT, elastic modulus and DRI tests were carried out. In addition, contact angle and capillarity tests were realized on concretes with surface treatments. Microstructural tests were also carried out on cement pastes to evaluate the interaction of surface treatments with the cement matrix composites. The results showed that SDT and DRI tools were appropriate to evaluate the of ASR damage. Besides, it was observed that the ASR damage mechanisms are similar in concrete with or without fly ash, as well as in those where the surface treatments were applied. However, the different materials (surface treatments and fly ash) delayed the ASR progress, as well as modified the ASR-gel kinetics and formation. Finally, the expansion test showed that there is a scale effect related to the size/shape of specimens

Alkali activated cement from the valuation of the blast furnace slag charcoal

While production of Portland cement is made the extraction of non-renewable raw materials and the release of CO2 excessively; the manufacture of alkali activated cement does not involve the calcination of materials and can be used as raw material byproducts of industry. In this context, the alkali activated cements emerge as a new class of binder materials of good performance and low environmental impact, which can be synthesized only with waste, such as slag in blast furnace activated with different alkalis generating materials with characteristics interesting for applications in construction. Depending on the chemical composition, blast furnace slag generated in coke ovens are used as addition to Portland cement; however, those from charcoal ovens are not the same destination as usually is inappropriate the basicity modules prescribed in the rules, thus implying an environmental liability. This research has the purpose to obtain activated alkali cements (CAT) aimed at the valorisation of the slag (acid). Also used was a blast furnace from coke (B) as raw material, in order to compare the chemical composition of both. CAT initial compositions with sodium hydroxide was prepared (NaOH) as an activator, which were subjected to two curing processes (wet and immersed) for initial testing. The immersed cure was less benign in the use of slag as a binder caused a lower compressive strenght, since the contact with the water solubilizing the material reducing its contact surface. In wet cure, with 5% NaOH as an activator, the slag mortars A obtained high mechanical performance, arriving values close to 45MPa at 28 days; the development of C-S-H and hydrotalcite phase was observed from the XRD patterns of X-rays and thermal analysis. Slag B developed less strenght in the presence of the activator, but the same phases were observed in both compositions. It was possible to verify that the chemical composition of raw material had strong influence on the performance of the CAT’s.Enquanto que na produção do cimento Portland é feita a extração de matérias-primas não renováveis e o lançamento de CO2 de forma excessiva; a fabricação dos cimentos álcali ativados não envolve a calcinação dos materiais e pode utilizar como matéria-prima subprodutos da indústria. Nesse contexto, os cimentos álcali ativados surgem como uma nova classe de materiais aglomerantes de bom desempenho e baixo impacto ambiental, os quais podem ser sintetizados unicamente com resíduos, como por exemplo, escórias de alto forno ativadas com diferentes produtos alcalinos, gerando materiais com características interessantes para aplicações na construção civil. Em função da composição química, as escórias de alto forno geradas em fornos a coque são empregadas como adição ao cimento Portland; entretanto, aquelas oriundas de fornos a carvão vegetal não encontram a mesma destinação pois normalmente não se adequam aos módulos de basicidade prescritos nas normas, implicando assim um passivo ambiental. Esta pesquisa tem por objetivo à obtenção de cimentos álcali ativados (CAT) visando a valorização da escória A (ácida). Também foi utilizada uma escória proveniente de alto forno a coque (B) como matéria-prima, a fim de comparar a composição química de ambas. Foram elaboradas composições iniciais de CAT com hidróxido de sódio (NaOH) como ativador, as quais foram submetidas a dois processos de cura (úmida e imersa) para testes iniciais. A cura imersa se mostrou menos propícia no uso da escória como ligante, uma vez que o contato com a água lixivia o material diminuindo sua superfície de contato, o que traz consequências no desenvolvimento mecânico e da microestrutura. Já em cura úmida, com 5% de NaOH como ativador, as argamassas de escória A obtiveram ótimo desempenho mecânico, atingindo valores próximos a 45MPa aos 28 dias; sendo que o desenvolvimento da fase de C-S-H e hidrotalcita pôde ser observada a partir dos difratogramas de raios-X e análises térmicas. A escória B desenvolveu menor resistência na presença do ativador, mas as mesmas fases foram observadas em ambas as composições; constatando-se então que a composição química da matéria-prima tem forte influência no desempenho dos CAT’s