Avaliação do desempenho de pastas de cimento portland reforçadas com nanobastões de carbeto de silicio após tratamento térmico

Abstract

A incorporação de nanomateriais em matrizes cimentícias permite diversas vantagens em termos de reforço e eficiência. A dispersão destes materiais, no entanto, ainda é um dos maiores desafios, devido as suas dimensões em nanoescala, e principalmente devido à presença de carbono amorfo em sua superfície, o que os torna materiais de emaranhamento e de difícil dispersão em água. O objetivo deste estudo foi analisar o efeito do tratamento térmico a elevadas temperaturas com o intuito de reduzir essa camada de carbono e facilitar sua dispersão em meio aquoso. Para isso, foram preparadas soluções com NB SiC tratados a 500°C, outras com NB sem tratamento, e outras soluções com adição de superplastificante, que foram analisadas por UV vis para verificar a qualidade da sua dispersão. Após isso, foram preparadas pastas de cimento com adição de 0,25/0,50/ 1,00% (da massa de cimento) de NB SiC (tratados e sem tratamento), e analisadas algumas propriedades, como trabalhabilidade, tensão de escoamento e viscosidade no estado fresco, e resistência à compressão, resistência à tração na flexão, módulo de elasticidade, condutividade térmica, absorção de água e micrografia, no estado endurecido. Através dos ensaios constatou-se que o tratamento térmico contribuiu na eliminação da camada de carbono amorfo da superfície dos NB SiC e verificou-se que mesmo em pequenas quantidades estes nanomateriais afetam as propriedades reológicas das pastas. Foi analisado ainda que o tratamento térmico dos NB SiC a elevadas temperaturas pode melhorar o desempenho mecânico e térmico das pastas de cimento, pois nos ensaios de resistência à flexão e à compressão aos 28 dias atingiu-se aumentos de 50% e 56%, respectivamente, com a adição de 0,50% NB SiC a 500ºC e superplastificante, enquanto que a condutividade térmica na mesma idade teve um aumento de 80% com a pasta com 1,00% de NB a 500ºC. A melhora das propriedades mecânicas a partir da adição dos NB SiC nas pastas de cimento, pode ser explicada pela atuação destes como pontes de transferência de tensões na matriz, o que os tornam excelentes materiais de reforço na transferência de cargas, e também por atuarem como pontos de nucleação, contribuindo para o desenvolvimento dos produtos de hidratação do cimento Portland, proporcionando assim uma maior resistência mecânica ao compósito.

Abstract: The addition of nanomaterials into cementitious matrices promotes many benefits in terms of reinforcement and efficiency. The dispersion of these materials, however, is still one of the major challenges, due to their nanoscale dimensions, and mainly due to the presence of amorphous carbon on the materials? surface, what makes them easy to entangle and difficult to disperse in the water. The objective of this study was to analyze the effect of heat treatment at high temperatures in order to reduce the layer of amorphous carbon and ease its dispersion in the aqueous solution. Therefore, solutions were prepared containing SiC NW treated at a 500°C temperature, others containing NW with no treatments, and others that contained high-range water reducer plasticizer, all of them submitted to UV-vis analysis to verify the quality of the dispersion. After that, cement pastes containing 0.25, 0.50 and 1.00% (over the cement mass) of SiC NW additions (with and without treatments) were prepared and submitted to the analysis of some properties as workability, yield stress and viscosity, on the fresh state, and compressive strength, flexural strength, Young´s modulus, thermal conductivity, water absorption and micrography, on the hardened state. As a result, it was noticed that the heat treatment contributed to the removal of the amorphous carbon layer from the SiC NW surface, and also even small amounts of addition of such materials affected the rheological properties of the pastes during the fresh state. It was also noted that the thermal treatment of the SiC NW at high temperatures can improve the mechanical and thermal performance of the cement pastes, as the 28 days flexural and compressive strength tests results showed an increase of about 50% and 56%, respectively, with the addition of 0.50% SiC NW treated at 500°C with superplasticizer, whereas the thermal conductivity test showed an increase of 80% to the paste with 1.00% NW treated at 500°C. The improvement of the mechanical properties from the addition of the SiC nanowhiskers in the cement pastes can be explained by their acting role as tensile bridges inside the cementitious matrix, which makes them an excellent microstructural reinforcement, and also by acting as nucleation points, contributing to the development of the hydration products from the Portland cement, thus promoting a higher mechanical strength to the composite.