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Type: Dissertação
Title: Investigation of the hardening kinetics of alkali-activated binders using machine learning, mechanical waves and rheology
Title in English: Investigation of the hardening kinetics of alkali-activated binders using machine learning, mechanical waves and rheology
Authors: Lima, Elias Ferreira
Advisor: Babadopulos, Lucas Feitosa de Albuquerque Lima
Co-advisor: Frabbri, Antonin
Keywords in Brazilian Portuguese : Ligantes álcali-ativados;Cinética de endurecimento;Aprendizado do computador;Ressonância por impacto;Reologia
Keywords in English : Alkali-activated binders (AABs);Hardening kinetics;Machine learning;Impact resonance test;Rheology
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Issue Date: 2026
Citation: LIMA, Elias Ferreira. Investigation of the hardening kinetics of alkali-activated binders using machine learning, mechanical waves and rheology. 2025. 171 f. Dissertação (Engenharia Civil-Construção Civil) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Abstract in Brazilian Portuguese: A necessidade urgente de reduzir as emissões de CO₂ na indústria da construção civil tem impulsionado a busca por alternativas sustentáveis aos ligantes convencionais. Os ligantes álcali-ativados (AABs, do inglês) surgem como uma solução promissora devido ao seu menor impacto ambiental e à capacidade de incorporar resíduos industriais. Embora pesquisas extensas tenham examinado o desempenho mecânico dos AABs, o comportamento no estado fresco e os mecanismos de endurecimento permanecem insuficientemente compreendidos. Essa lacuna dificulta a otimização do desenvolvimento reológico e microestrutural, aspectos essenciais para o desempenho confiável do material. Paralelamente, o uso crescente de técnicas de machine learning na ciência dos materiais tem aberto novas perspectivas para a predição das propriedades dos ligantes, contudo, sua aplicação em AABs ainda se encontra em estágios iniciais. Estudos existentes que empregam técnicas não destrutivas (NDTs, Non-Destructive Tests), particularmente a velocidade de pulso ultrassônico, forneceram contribuições valiosas sobre as transições em idades iniciais, mas apresentam limitações quanto à captura do comportamento viscoelástico complexo desses materiais. Em contraste, o método de ressonância por impacto (Impact Resonance Test) tem demonstrado forte potencial na avaliação de propriedades dinâmicas em materiais cimentícios e asfálticos no estado endurecido, embora ainda não tenha sido adaptado para análises no estado fresco. Nesse contexto, o principal objetivo desta pesquisa é investigar os mecanismos de endurecimento de ligantes ativados por álcali por meio do uso combinado de aprendizado de máquina, ressonância por impacto e caracterização microestrutural. A metodologia está organizada em três etapas. Primeiramente, algoritmos de machine learning serão desenvolvidos para estimar propriedades no estado fresco e endurecido com base na composição química. Em seguida, um novo aparato de ensaio de ressonância por impacto será projetado e otimizado por meio de simulações em Método dos Elementos Finitos (FEM, do inglês), visando permitir o monitoramento preciso dos AABs no estado fresco. Por fim, a cinética de endurecimento dos AABs será avaliada por meio de ensaios de ressonância por impacto e varreduras reológicas no tempo (time sweep), associadas a análises térmicas e químicas, como FTIR, TGA e calorimetria isotérmica. A integração dessas abordagens experimentais e computacionais é esperada para avançar a compreensão dos mecanismos de endurecimento em AABs e fornece uma base para o desenvolvimento de ferramentas aprimoradas de predição e monitoramento. Os principais resultados desta pesquisa evidenciam que as redes neurais artificiais (ANN), o random forest (RF) e o bagging regression (BR) apresentaram o desempenho preditivo mais robusto para estimar o tempo de pega e a resistência à compressão de ligantes álcali-ativados a partir de parâmetros químicos. Em paralelo, o ensaio de ressonância por impacto demonstrou elevada eficácia como técnica não destrutiva para o monitoramento do endurecimento em idades iniciais, exibindo correlações expressivas com a evolução reológica e calorimétrica. A integração da ressonância por impacto com reologia, calorimetria, FTIR e TGA possibilitou uma interpretação multiescalar e coerente da cinética de endurecimento, permitindo identificar a disponibilidade de cálcio como o fator preponderante na evolução mecânica e microestrutural dos sistemas estudados. Este trabalho é desenvolvido em colaboração entre a Universidade Federal do Ceará (UFC), Brasil, e a ENTPE, França.
Abstract: The urgent need to reduce CO₂ emissions in the construction industry has driven the search for sustainable alternatives to conventional binders. Alkali-activated binders (AABs) have emerged as a promising solution due to their lower environmental impact and capacity to incorporate industrial wastes. Although extensive research has examined the mechanical performance of AABs, their fresh-state behavior and hardening mechanisms remain insufficiently understood. This gap hinders the optimization of their rheological and microstructural development, which are essential for reliable performance. In parallel, the growing use of machine learning in materials science has opened new perspectives for predicting binder properties; however, its application to AABs remains in its early stages. Existing studies employing non-destructive test (NDT) techniques, particularly ultrasonic pulse velocity, have provided valuable insights into early-age transitions but are limited in capturing the complex viscoelastic behavior of these materials. Impact resonance, in contrast, has demonstrated strong potential for evaluating dynamic properties in hardened cementitious and asphalt materials, yet it has not been adapted for fresh-state analysis. In this context, the main objective of this research is to investigate the hardening mechanisms of AABs through the combined use of machine learning, impact resonance, and microstructural characterization. The methodology is organized into three stages. First, machine learning algorithms will be developed to estimate fresh and hardened properties based on chemical composition. Second, a novel impact resonance test apparatus will be designed and optimized through FEM (Finite Element Method) simulations to enable accurate monitoring of AABs in the fresh state. Finally, the hardening kinetics of AABs will be assessed through impact resonance and rheological time-sweep tests, coupled with thermal and chemical analyses such as FTIR, TGA, and isothermal calorimetry. The integration of these experimental and computational approaches is expected to advance the understanding of hardening mechanisms in AABs and provide a foundation for improved predictive and monitoring tools. The main findings of this research reveal that artificial neural networks (ANN), random forest (RF), and bagging regression (BR) demonstrated the highest predictive performance for estimating setting time and compressive strength of AABs from chemical composition. In parallel, the impact resonance test proved to be a highly effective nondestructive tool for monitoring early-age hardening, showing strong correlations with rheological parameters and calorimetric evolution over time. Integrating impact resonance test with rheology, calorimetry, FTIR, and TGA provides a coherent, multi-scale understanding of early-age hardening in AABs and reveals calcium availability as the dominant factor governing their mechanical and microstructural evolution. This work is carried out in collaboration between the Federal University of Ceará (UFC), Brazil, and ENTPE, France.
Description in Brazilian Portuguese: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84783
Author's ORCID: https://orcid.org/0009-0002-0079-2012
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/9324507151804988
Advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9250-2635
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/4032413277446483
Co-advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2234-2461
Access Rights: Acesso Aberto
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