Determinação das propriedades dinâmico-mecânicas do nanocompósito pasta de cimento/nanocristais de celulose

Abstract

A produção anual de cimento em 2017 foi de aproximadamente 4,1 bilhões de toneladas, sendo responsável por cerca de 5 a 8% das emissões totais de CO2 do planeta. Como alternativa para tornar sua hidratação mais eficaz, e também com um cunho ambiental, a adição de nanocristais de celulose (NCC) em pastas de cimento vem sendo explorada, estimando-se um consumo mundial de mais de 8 milhões de toneladas de NCC com esta prática. Com isso, esta pesquisa procurou caracterizar as propriedades dinâmico-mecânicas do nanocompósito pasta de cimento/NCC. Foram desenvolvidas formulações com cimento de alta resistência inicial, aditivo superplastificante de base policarboxilato, e 0,1, 0,2, 0,5 e 1,0% de NCC, sendo os nanocompósitos analisados aos sete dias de hidratação quanto às propriedades mineralógicas, morfológicas, físico-químicas e dinâmico-mecânicas. Os resultados demonstraram que não houve variações na mineralogia, e o grau de hidratação dos nanocompósitos aumentou de forma semi-linear com a adição de NCC (R² = 0,8722). Para o maior teor de NCC foi identificado um aumento de 14,82% na hidratação em relação à referência. A adição de NCC resultou numa evolução retardada no módulo de elasticidade dinâmico, além de uma tendência de taxa de crescimento maior no fator de amortecimento. Os módulo de elasticidade dinâmicos determinados pela Velocidade do Pulso Ultrassônico apresentaram valores entre 10 e 40%, aproximadamente, maiores que na Técnica de Excitação por Impulso. Os resultados da Análise Dinâmico Mecânica mostraram que a adição de NCC conferiu uma redução na elasticidade dos nanocompósitos. Por fim, houve uma redução na resistência à compressão conforme o aumento no teor de NCC para os teores acima de 0,1%. Assim, pode-se concluir que a adição de NCC em pasta de cimento preparada com superplastificante, além de melhorar as propriedades dinâmico-mecânicas, confere uma redução na elasticidade ao material aos sete dias de hidratação.

Abstract: Annual cement production in 2017 was approximately 4.1 billion tons, accounting for about 5 to 8% of the world's total CO2 emissions. As an alternative to make cement hydration more effective, and also with an environmental concern, the addition of cellulose nanocrystals (CNC) in cement pastes has been explored, estimating worldwide consumption of more than 8 million tons of CNC with this practice. Therefore, this research aimed to characterize the dynamic-mechanical properties of the cement paste/CNC nanocomposite. Formulations with initial high strength cement, polycarboxylate-based superplasticizer, and 0.1, 0.2, 0.5 and 1.0% CNC were developed, and the nanocomposites were analyzed on mineralogical, morphological, physico-chemical and dynamic-mechanical properties at seven hydration days. The results showed that there were no changes in the mineralogy, and the degree of hydration of the nanocomposites increased semi-linearly with increasing CNC loadings (R² = 0.8722). For the higher content of CNC an increase of 14.82% in degree of hydration was identified with respect to the reference. The addition of CNC resulted in a delayed evolution in the dynamic modulus of elasticity and in a tendency of higher growth rate in the damping factor. The dynamic modulus of elasticity determined by the Ultrasonic Pulse Velocity presented values between 10 and 40%, approximately, greater than those in the Impulse Excitation Technique. The results of the Dynamic Mechanical Analysis showed that the addition of CNC conferred a reduction in the elasticity of the nanocomposites. Finally, there was a reduction in the compressive strength as increasing CNC content for loadings above 0.1%. Thus, it can be concluded that the addition of CNC in cement paste prepared with superplasticizer, besides improving the dynamic-mechanical properties, confers a reduction in the elasticity of the material at seven hydration days.