Thin Films as a Tool for Nanoscale Studies of Cement Systems and Building Materials

Many efforts have been made over the last decades to improve and develop new technologies for cement and chemical industries that can provide materials that are more durable and cost efficient, stronger and less environmentally harmful. Studies at small scale in cementitious materials usually require special sample preparation, which can damage the material and mislead the analysis. In nanoscale experiments, several techniques require samples to be extremely thin, while others need the samples to be very flat. The possibility of using thin films of clinker phases in cement research opens far-reaching opportunities for the development of this material and the materials associated to this. Testing different evaporation parameters, the deposition of films with a few tens of nanometers in thickness was achieved for all the clinker phases individually. This chapter will present the attempts for synthesizing thin films of all main clinker phases by the use of electron beam evaporation technique, as well as data on the hydration of the calcium silicate thin, flat and homogeneous samples. Changes are tracked chemically and mineralogically. This study redirects cement science to new perspectives of understanding the nanostructure of cement products. This leads to basis for developing stronger and more durable cement-based materials

Sulphate attack and the role of thaumasite in historical constructions

Gran parte de construcciones históricas importantes se encuentran en el centro de grandes ciudades, y en ocasiones próximas a la industria y por ello en contacto con áreas que presentan una atmósfera rica en sulfatos, siendo este factor de considerable importancia sobre la durabilidad y procesos de degradación y por tanto en las prestaciones de los sistemas de cemento. Por otra parte, en la arquitectura y el patrimonio monumental es posible encontrar mampostería con diferentes tipos de morteros o también con antiguos hormigones y materiales cementantes que pueden ser susceptibles de sufrir ataque sulfático. Tal ataque por sulfatos puede producirse de diferentes maneras: formación de etringita retrasada, formación del yeso, o formación de taumasita cuando hay una fuente de carbonatos, objetivo de este estudio. La taumasita se encontró en 1965 en hormigón degradado y en la reparación de morteros utilizados para la conservación del patrimonio arquitectónico; y aunque su formación se asocia generalmente con clima relativamente frío, en la actualidad el proceso de formación de taumasita aún no se ha explicado. La taumasita puede formarse mediante la combinación de ataque por sulfatos y carbonatación y se ha detectado en estructuras de hormigón y también en albañilería en paredes de edificios históricos. La formación de taumasita puede provocar expansión, agrietamiento, desagregación, pérdida de adherencia de los materiales de cemento, transformar hormigones endurecidos o morteros en una masa pulverulenta debido a la pérdida de resistencia

A nanoscale study of dissolution and growth processes in cement hydrates

This thesis aims at providing new knowledge on the, otherwise poorly known, molecular-scale mechanisms that operate during hydration of cement phases and dissolution of their hydrates. In order to pursue this objective, a novel approach has been followed, including the development of a new procedure to synthesize thin films of calcium silicates, real time characterization of grain growth and dissolution with liquid-cell atomic force microscopy, and monitoring of their chemical evolution by X-ray photoelectron spectroscopy of thin films hydrated in-situ, avoiding atmospheric contamination. Nanometer-sized films of clinker phases have been prepared using electron-beam evaporation methods. After deposition on silicon substrates, film thicknesses and mineralogical composition were characterized by atomic force microscopy (AFM) or mechanical profilometry and grazing-angle X-ray diffraction (GAXRD), respectively. Chemical composition was determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Results from the GAXRD and XPS analysis show that aluminates phases are not suitable to be evaporated by electron beam technique. However quantitative analysis of calcium silicates samples shows that the Ca:Si ratio of the deposited film is the same as in the bulk starting material, confirming the suitability of the technique for the synthesis of these materials. Calcium silicate thin films with different thicknesses were submitted to hydration in different ways. XPS results describe clear chemical changes when samples are exposed to water vapor by shifts on the silicon peak, broadening on the calcium peak and decreasing on the Ca:Si ratio, related to the silicon polymerization due to the C-S-H formation. In situ hydration in fluid cell followed by AFM in water and calcium hydroxide saturated solution allows observing the formation of C-S-H particles, that happens very fast in C3S, which is dissolved later, and slower in C2S. Finally, Scanning transmission X-ray microscopy (STXM) of samples hydrated in situ with water allows observing the formation of particles with different concentration of calcium and silicon, and different chemical state at some point. The development of this technique of synthesis and the results obtained on the hydration allow improving the knowledge of early stage clinker phase hydration at the molecular level and to better understand the behavior of these materials, shedding some additional light on the complex problem of the hydration mechanisms of cementitious materials.Aquesta tesi té per objectiu proporcionar nous coneixements sobre els mecanismes, abans poc coneguts, que operen durant la hidratació de les fases de ciment i la dissolució dels seus hidrats a escala molecular. Per tal d'aconseguir aquest objectiu, un nou enfocament ha estat seguit amb l'elaboració d'un nou procediment per sintetitzar pel·lícules primes de silicats de calci, la seva caracterització en temps real del creixement del gra i de la dissolució amb les cel·les de líquid al microscopi de forces atòmiques i el seguiment de l'evolució de la seva composició química per espectroscòpia de fotoelectrons de raigs X de pel·lícules primes hidratades in-situ, evitant la seva contaminació atmosfèrica. S'han preparat pel·lícules nanomètriques de les fases del clínquer utilitzant l'evaporació per feix d'electrons. Després de la deposició en substrats de silici, es van caracteritzar el gruix mitjançant la microscòpia de forces atòmiques (AFM) i la perfilometria mecànica i la composició mineralògica amb la difracció de raigs X d'angle rasant (GAXRD). La composició química es va determinar per espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (XPS). Els resultats del GAXRD i d'XPS mostren que els aluminats no són adequats per a ser evaporats utilitzant l'evaporació assistida amb feix d'electrons. No obstant això, anàlisis quantitatives de les mostres de silicats de calci mostren que la relació Ca:Si de la pel·lícula dipositada és la mateixa que en el material de partida, el que confirma la idoneïtat de la tècnica per a la síntesi d'aquests materials. Les pel·lícules primes de silicat càlcic de gruixos diferents van ser sotmeses a hidratació de diferents maneres. Els resultats d`XPS descriuen canvis químics clars quan les mostres estan exposades al vapor d'aigua com s'infereix dels canvis en el pic del silici, l'eixamplament del pic del calci i la disminució en la relació Ca:Si, que es relaciona amb la polimerització del silici degut ala formació de C-S-H. La hidratació in situ en aigua o solució saturada d'hidròxid de calci a la cel·la de fluid de l'AFM permet observar la formació de partícules de C-S-H. La hidratació ocorre molt ràpidament en el C3S, que després es dissol, i és més lenta en el C2S. Finalment, la microscòpia de transmissió i escaneig de raigs X (STXM) de les mostres hidratades in situ amb aigua permet observar la formació de partícules amb diferents concentracions de calci i silici i, en alguns casos, la variació de l'estat químic . El desenvolupament d'aquesta tècnica de síntesi i els resultats obtinguts en la hidratació permeten millorar el coneixement de la hidratació de les fases del clínquer en estadis inicials a nivell molecular i entendre millor el comportament d'aquests materials, ajudant a aclarir el complex problema dels mecanismes d'hidratació dels materials del cimen

Utilização de ensaios não destrutivos no controle tecnológico de execução de pavimentos de concreto tipo Fast Track

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil.Pavimentos construídos com a finalidade de uma rápida liberação ao tráfego, chamados de pavimentos de concreto fast track, sanam a necessidade de rapidez na liberação de pavimentos ao tráfego, podendo, quando bem construídos, proporcionar uma maior durabilidade à estrutura. Nestes pavimentos, necessita-se do constante monitoramento das propriedades mecânicas, em especial a resistência à tração na flexão, de forma a se ter segurança no momento da liberação da placa ao tráfego. Métodos não destrutivos, como o método da maturidade e ultra-som, são usualmente empregados para este monitoramento internacionalmente. Este trabalho aprofunda o estudo sobre a utilização de ensaios não destrutivos no monitoramento do ganho de resistência in loco em pavimentos de concreto fast track. Cinco misturas de concreto possivelmente utilizáveis em pavimentos rígidos foram investigadas e uma mistura aplicável a pavimentos de concreto fast track foi escolhida. Curvas de maturidade, seguindo-se o procedimento ASTM C 1074 (1998) para obtenção de valores da Energia de Ativação no concreto foram desenvolvidas a partir de ensaios de resistência à compressão e alternativamente a partir de ensaios de resistência à tração na flexão, propagação de ondas ultra-sônicas e início e fim de pega. Posteriormente, para a mistura escolhida, foi moldada uma placa-teste em tamanho real e submetida a um carregamento estático em seu ponto central, e em um ponto próximo ao bordo. Uma análise numérica foi desenvolvida a fim de localizar os pontos de maiores esforços na placa, bem como o nível de tensões provocado pela aplicação da carga. O desenvolvimento da resistência da placa foi continuamente estimado a partir do método da maturidade e ultra-som. Esperou-se aplicar o carregamento em torno de 24 horas após a concretagem, simulando aplicações fast track, o que se deu antes do esperado. As tensões e as deformações foram monitoradas em pontos específicos, e os valores comparados com os do modelo numérico, de maneira a conhecer comportamento da placa. Os resultados indicaram que todos os traços podem ser usados em aplicações fast track, já que atingiram altas resistências iniciais. O ultra-som não se forneceu resultados satisfatórios, porém foi possível estimar a resistência através do método da maturidade. Na placa de pavimento, os resultados no modelo real foram semelhantes ao modelo teórico, sendo este considerado uma boa aproximação

A Scanning Transmission X-ray Microscopy Study of Cubic and Orthorhombic C₃A and Their Hydration Products in the Presence of Gypsum.

This paper shows the microstructural differences and phase characterization of pure phases and hydrated products of the cubic and orthorhombic (Na-doped) polymorphs of tricalcium aluminate (C₃A), which are commonly found in traditional Portland cements. Pure, anhydrous samples were characterized using scanning transmission X-ray microscopy (STXM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray diffraction (XRD) and demonstrated differences in the chemical and mineralogical composition as well as the morphology on a micro/nano-scale. C₃A/gypsum blends with mass ratios of 0.2 and 1.9 were hydrated using a water/C₃A ratio of 1.2, and the products obtained after three days were assessed using STXM. The hydration process and subsequent formation of calcium sulfate in the C₃A/gypsum systems were identified through the changes in the LIII edge fine structure for Calcium. The results also show greater Ca LII binding energies between hydrated samples with different gypsum contents. Conversely, the hydrated samples from the cubic and orthorhombic C₃A at the same amount of gypsum exhibited strong morphological differences but similar chemical environments

Proposta de modelagem da carbonatação de concretos de cimento portland branco

This paper describes an experimental program that aimed to assess the compressive strength and carbonation results of concrete specimens made with four types of white cement. The high early strength cement (CP-V) was taken as a reference for comparison. The influence of the water/cement ratio (0,4; 0,5 and 0,6) was also investigated. The results showed that the compressive strength of the concrete made with white Portland cement was equivalent to the reference concrete. Also, carbonation tests indicated that the concrete made with structural white cement presented a slightly improved behavior when compared to the reference concrete, except for one of the models. The experimental results were analyzed statistically presenting a coefficient of determination greater than 75%. In this case, to reach a better performance some adjustments in the physical and chemical composition would be necessary.Este trabalho descreve um estudo experimental cujo objetivo foi avaliar a resistência à compressão e à carbonatação de concretos moldados com quatro tipos de cimento Portland branco estrutural, comparando seus resultados com um concreto moldado com cimento Portland de alta resistência inicial (CPV), utilizado como referência. Investigouse, também, a relação água/cimento (0,4; 0,5; 0,6). Os resultados obtidos mostram que o desempenho dos concretos moldados com os cimentos Portland branco estudados equivalem ao dos moldados com CPV. Em termos de carbonatação, os resultados experimentais foram modelados estatisticamente e apresentaram coeficientes de determinação superiores a 75%. Os modelos obtidos revelam que, no que se refere à carbonatação, o desempenho dos concretos moldados com cimento branco foi geralmente superior ao dos moldados com cimento CPV, exceto para um deles. Nesse caso, seriam necessários ajustes em sua composição física e química, para que este tenha uma melhora em seu desempenho

Modulation of intracellular calcium signaling by microRNA-34a-5p

Adjusting intracellular calcium signaling is an important feature in the regulation of immune cell function and survival. Here we show that miR-34a-5p, a small non-coding RNA that is deregulated in many common diseases, is a regulator of store-operated Ca2+ entry (SOCE) and calcineurin signaling. Upon miR-34a-5p overexpression, we observed both a decreased depletion of ER calcium content and a decreased Ca2+ influx through Ca2+ release-activated Ca2+ channels. Based on an in silico target prediction we identified multiple miR-34a-5p target genes within both pathways that are implicated in the balance between T-cell activation and apoptosis including ITPR2, CAMLG, STIM1, ORAI3, RCAN1, PPP3R1, and NFATC4. Functional analysis revealed a decrease in Ca2+ activated calcineurin pathway activity measured by a reduced IL-2 secretion due to miR-34a-5p overexpression. Impacting SOCE and/or downstream calcineurin/NFAT signaling by miR-34a-5p offers a possible future approach to manipulate immune cells for clinical interventions

Primitive Reflexes of Neonates Born in a Maternity in the Rio Grande do Sul State / Reflexos Primitivos de Neonatos Nascidos em uma Maternidade no Sul do Brasil

Objetivo: Quais as associações entre os reflexos primitivos de neonatos nascidos com sexo, cor, estatura, perímetro cefálico, perímetro torácico, índice de apgar, idade gestacional, tipo de parto, intercorrências durante o trabalho de parto Método: estudo quantitativo do tipo documental. Foram analisados os prontuários de gestantes e neonatos que nasceram nos meses de agosto a novembro de 2014 na maternidade de um hospital do norte do estado do Rio Grande do Sul. Resultados: Foram estudados 164 prontuários avaliando se nestes constava presença ou ausência de reflexos primitivos descritos na ficha de avaliação do nascimento. A presença de reflexos primitivos do neonatos apresentou significância no que se refere a estatura perímetro cefálico perímetro torácico intercorrências no trabalho de parto e idade gestacional. Conclusão: a presença de reflexos primitivos em neonatos tem uma relação direta com a gestação, parto e pós-parto, assim verifica-se a necessidade de desenvolver ações efetivas de assistência ao pré-natal e parto

Primitive Reflexes of Neonates Born in a Maternity in the Rio Grande do Sul State / Reflexos Primitivos de Neonatos Nascidos em uma Maternidade no Sul do Brasil

Objetivo: Quais as associações entre os reflexos primitivos de neonatos nascidos com sexo, cor, estatura, perímetro cefálico, perímetro torácico, índice de apgar, idade gestacional, tipo de parto, intercorrências durante o trabalho de parto Método: estudo quantitativo do tipo documental. Foram analisados os prontuários de gestantes e neonatos que nasceram nos meses de agosto a novembro de 2014 na maternidade de um hospital do norte do estado do Rio Grande do Sul. Resultados: Foram estudados 164 prontuários avaliando se nestes constava presença ou ausência de reflexos primitivos descritos na ficha de avaliação do nascimento. A presença de reflexos primitivos do neonatos apresentou significância no que se refere a estatura perímetro cefálico perímetro torácico intercorrências no trabalho de parto e idade gestacional. Conclusão: a presença de reflexos primitivos em neonatos tem uma relação direta com a gestação, parto e pós-parto, assim verifica-se a necessidade de desenvolver ações efetivas de assistência ao pré-natal e parto