Impedance spectroscopy to study the hydration processes of Portland cement with agricultural wastes
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Data
2024-11-19
Autores
Orientador
Tashima, Mauro Mitsuuchi 
Coorientador
Sanches, Alex Otávio
Pós-graduação
Ciência dos Materiais - FEIS
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso restrito
Resumo
Resumo (português)
O uso de cinzas de resíduos agrícolas, como a cinza da casca de arroz (CCA), cinza da folha de bambu (CFB) e a cinza do bagaço da cana-de-açúcar (CBC) como substitutos parciais do cimento Portland contribui para a mitigação dos problemas ambientais associados à produção do cimento Portland. A inserção destes resíduos ocasiona em diversos efeitos na hidratação do cimento Portland e modifica as propriedades no estado fresco e endurecido, tornando o entendimento das reações de hidratação ainda mais complexos. Nos últimos anos, a espectroscopia de impedância (EI) tem se mostrado uma poderosa técnica não destrutiva para compreender as reações de hidratação in situ do cimento Portland. Neste sentido, o objetivo deste estudo foi compreender os diferentes processos físico-químicos envolvidos na hidratação de pastas de cimento e pastas de cimento misturadas com cinzas de resíduos agrícolas (CCA, CFB e CBC) por meio de curvas de condutividade elétrica obtidas a partir da técnica de EI. Foram avaliadas três porcentagens de CCA, CFB and CBC (0, 10 e 25%, em massa) em substituição ao cimento Portland. As medidas de EI foram realizadas em pastas com relação água/ligante fixa de 0.40 até 28 dias de cura. Medidas de termogravimetria (TG), difração de raios-X (DRX), temperatura em escala temporal, microscopia eletrônica de varredura (MEV), dureza Vicat e resistência à compressão foram utilizadas para auxiliar os dados de EI. De acordo com os resultados, com base nas inflexões de sua derivada, a curva de condutividade elétrica da pasta de cimento foi subdividida em oito regiões diferentes. Uma nova região no período de aceleração (região IV) foi identificada, caracterizada pela retomada das reações de dissolução e formação de microestrutura, com a pasta em estado semifluido. Além disso, um shoulder observado na região VI foi atribuído à formação de fases AFt e reações secundárias de liberação iônica na rede de poros. Nas pastas de cimento misturadas, o efeito de diluição, a absorção de água pela estrutura porosa das cinzas de resíduos agrícolas e a adsorção de íons em suas superfícies foram os efeitos dominantes nas primeiras idades, o que ocasionou na menor liberação iônica na solução e um atraso nas reações de hidratação. As pastas de cimento misturadas com CBC apresentaram a maior extensão do período de indução e tempo de pega, associado ao efeito de diluição e maior teor de perda ao fogo e tamanho de partícula da CBC. Por fim, a EI demonstrou ser uma técnica promissora no estudo dos processos de hidratação in situ e evolução da microestrutura de pastas de cimento misturadas com resíduos agrícolas.
Resumo (inglês)
The use of agricultural wastes ashes, such as rice husk ash (RHA), bamboo leaf ash (BLA) and sugarcane bagasse ash (SCBA) as partial replacements for Portland cement contributes to the mitigation of environmental problems associated with the production of Portland cement. The insertion of these wastes causes several effects on Portland cement hydration and modifies the properties in the fresh and hardened state, making the understanding of hydration reactions even more complex. In the last years, impedance spectroscopy (IS) has proven to be a powerful nondestructive technique for understanding the in-situ hydration reactions of Portland cement. In this sense, the objective of this study was to understand the different physical-chemical processes involved in the hydration of cement pastes and blended cement pastes with agricultural wastes ashes (RHA, BLA and SCBA) through electrical conductivity curves obtained from EI. Three percentages of RHA, BLA and SCBA (0, 10 and 25%, by mass) were evaluated as replacement for Portland cement. The EI measurements were performed on pastes with a fixed water/binder ratio of 0.40 up to 28 curing days. Measurements of thermogravimetry (TG), X-ray diffraction (XRD), time scale temperature, scanning electron microscopy (SEM), Vicat hardness and compressive strength were used to support the IS data. According to the results, based on the inflections of the derivative, the electrical conductivity curve of the cement paste was subdivided into eight different regions. A new region in the acceleration period (region IV) was identified, characterized by the resumption of dissolution reactions and microstructure formation with the paste in a semi-fluid state. Furthermore, a shoulder observed in region VI was attributed to the formation of AFt phases and secondary ionic release reactions in the pore network. In the blended cement pastes, the dilution effect, water absorption by the porous structure of agricultural waste ash and ion adsorption on their surfaces were the dominant effects in the early ages, which resulted in lower ionic release into the solution and a
delay in hydration reactions. SCBA blended cement pastes showed a higher extension of the induction period and setting time, associated with the dilution effect and the higher loss on ignition content and particle size of SCBA. Finally, IS demonstrated to be a sensitive and promising technique to study in situ hydration processes and evolution of the microstructure of blended cement pastes with agricultural wastes.
Descrição
Idioma
Inglês
Como citar
BORTOLETTO, M. Impedance spectroscopy to study the hydration processes of Portland cement with agricultural wastes. 2024. 179 f. Tese (Doutorado em Ciência dos Materiais) – Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista - Unesp, Ilha Solteira, 2024.
