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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78824
Type: | Dissertação |
Title: | Experimental investigation of red ceramic waste-based alkali-activated binders |
Title in English: | Experimental investigation of red ceramic waste-based alkali-activated binders |
Authors: | Carvalho, Ivo de Castro |
Advisor: | Cabral, Antônio Eduardo Bezerra |
Co-advisor: | Costa, Heloina Nogueira da |
Keywords in Brazilian Portuguese : | Cimento Portland;Cerâmica vermelha - Resíduos;Ligantes;Microestrutura |
Keywords in English : | Portland cement;Red pottery - Waste products;Ligand binding;Microstructure |
Knowledge Areas - CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL |
Issue Date: | 2024 |
Citation: | CARVALHO, Ivo de Castro. Experimental investigation of red ceramic waste-based alkali-activated binders. 2024. 148 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil-Estrutura e Construção Civil) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024. |
Abstract in Brazilian Portuguese: | O cimento Portland é um dos materiais mais utilizados do mundo e o impacto ambiental ligado a produção do cimento Portland é muito significativo, especialmente em relação ao aquecimento global. Esse processo produtivo é altamente poluente, com elevadas emissões de CO2, e também demanda um elevado consumo energético. Assim, a busca por ligantes sustentáveis, alternativos ao cimento Portland, vêm sendo um grande foco de estudo. Dentre estes, os materiais álcali-ativados (MAAs) são um dos ligantes mais promissores e estudados em larga escala mundialmente. A investigação de MAAs utilizando a combinação de resíduo de cerâmica vermelha e escória de alto forno como precursores foi pouco realizada, principalmente a respeito de suas propriedades reológicas e de cinética de reação. Assim, o objetivo desse trabalho foi o de avaliar propriedades de misturas álcali-ativadas à base de resíduo de cerâmica vermelha (RCV) e escória de alto forno como precursores. Como ativadores, utilizaram-se silicato de sódio comercial e hidróxido de sódio. Avaliou-se misturas com 3 teores distintos de RCV (25%, 50%, 75%) e 2 valores de módulo de sílica (Ms = SiO2/Na2O dos ativadores). As misturas no estado fresco foram submetidas a ensaios de calorimetria isotérmica, para estudo da cinética de reação das misturas, ensaios de reologia de fluxo e de reologia oscilatória, para caracterização da cinética de aglomeração e acumulo estrutural das misturas, por meio dos parâmetros de módulo de estocagem (G’), módulo de perda (G’’) e ângulo de fase (δ). Além disso, pastas foram avaliadas em ensaios no estado endurecido, por meio da resistência à compressão para idades de 3, 7 e 28 dias, análises microestruturais de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e termogravimetria (TG/DTG). Por fim, análises de impactos ambientais incorporados foram realizadas, identificando-se reduções na faixa de 65% na emissão de CO2 e no consumo energético, para as misturas analisadas, em comparação as misturas de cimento Portland. Teores de RCW de até 50% geraram excelentes resultados de resistência a compressão (até 68.8 MPa aos 28 dias). A incorporação de RCV na mistura atrasou o pico de reação das pastas e reduziu a intensidade de ligações da banda Si-O-T, segundo o ensaio de FTIR. A formação de C(N)-A-S-H reduziu significativamente para teores de RCV de 75%, segundo o ensaio de TG/DTG. Estudos de reologia de fluxo indicaram um comportamento similar ao de fluidos Newtonianos para as pastas produzidas, com tensões de escoamento próximas de zero. Além disso, maiores teores de RCV geraram maiores viscosidades. Os ensaios de reologia oscilatória indicaram um atraso no acumulo estrutural para misturas com o incremento no Ms, onde observou-se uma evolução mais tardia do G’ para misturas com Ms = 1.3. O aumento do teor de RCV também reduziu a intensidade da taxa de acumulo estrutural das pastas. Ao fim do estudo, diversas informações importantes a respeito de propriedades de pastas álcali-ativadas utilizando RCW foram reportadas. |
Abstract: | Ordinary Portland cement (OPC) remains one of the most widely used materials in the world and its use is expected to grow due to the continuous demand for new structures, especially in emerging countries. The environmental impact linked to the production of Portland cement is very significant, especially in terms of global warming, since the production process involves high CO2 emissions and generates high energy consumption. Thus, the search for sustainable alternative binders to Portland cement has been a major focus of study and alkali-activated materials (AAMs) are one of the most promising binders and have been studied on a large scale worldwide. Research into new types of precursors is constantly being carried out with a focus on studying the feasibility of new types of alkali-activated mixtures. The investigation of red ceramic waste-blast furnace slag alkali-activated mixtures remains poorly conducted especially regarding its rheological properties and reaction kinetics. This study aims to produce and evaluate the properties of alkali-activated mixtures based on red ceramic waste (RCW) and blast furnace slag (BFS) as precursors. Commercial sodium silicate and sodium hydroxide were used as activators in this research. This alkali activation was performed for mixtures with 3 different RCW contents (25%, 50%, 75%), and 2 silica modulus values (Ms = SiO2/Na2O of the activators). The fresh-state mixtures were submitted to isothermal calorimetry tests, to study the reaction kinetics of the mixtures, flow sweep tests, and oscillatory rheology tests to investigate the agglomeration kinetics and the early age structural build-up based on storage modulus (G’), loss modulus (G’’), and phase angle (δ) parameters. In the fresh state, an in-situ FTIR analysis was also proposed to investigate the Si-O-T band evolution over time in early ages (< 90 min). The pastes were also evaluated in hardened state tests using compressive strength at ages of 3, 7, and 28 days, microstructural analysis using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and thermogravimetric analysis (TG/DTG). Finally, environmental impact analyses were carried out, identifying reductions in the range of 65% in CO2 emission and energy consumption for the mixtures analyzed, compared to OPC mixtures. RCW contents of up to 50% generated excellent compressive strength results (up to 68.8 MPa at 28 days). In addition, the incorporation of RCW delayed the peak reaction of the pastes and reduced the intensity of Si-O-T bands, by FTIR test. The formation of C(N)-A-S-H was greatly reduced for RCW contents of 75%, remaining similar for contents of 25% and 50%, according to the TG/DTG test. Flow rheology tests indicated a Newtonian-like behavior for the pastes produced, with yield stresses close to zero. In addition, higher RCW contents generated higher viscosities. Oscillatory rheology tests indicated a delay in structural build-up for mixtures with an increase in Ms value, where a later evolution of G' was observed for mixtures with Ms = 1.3. The increase in RCW content also reduced the structural build-up rate of the alkali-activated pastes. |
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/78824 |
Author's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/3457567031251948 |
Advisor's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/6399451844691825 |
Co-advisor's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/6756899731022566 |
Access Rights: | Acesso Embargado |
Appears in Collections: | DECC - Dissertações defendidas na UFC |
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2024_dis_iccarvalho.pdf Until 2026-11-09 | Dissertação de Ivo de Castro Carvalho | 5,17 MB | Adobe PDF | View/Open |
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