Estudo das propriedades micro-nanomecânicas na interface matriz/microfibras de aço em concretos de ultra-alto desempenho com adição de nanocarbonato de cálcio

Abstract

Os concretos de ultra-alto desempenho são materiais heterogêneos formados por diferentes fases que podem e devem ser analisadas em várias escalas, uma vez que seu desempenho mecânico é fortemente dependente das propriedades em escala micro e nanométrica. São aspectos importantes deste material as propriedades micro-nanomecânicas da matriz e da zona de transição entre as microfibras e a matriz cimentícia, assim como o nível de empacotamento da fase silicato de cálcio hidratado (C-S-H) e a presença de possíveis falhas na matriz. A fim de melhorar tanto a zona de transição quanto a matriz como um todo, adições minerais podem ser feitas à composição, como a sílica coloidal e o nanocarbonato de cálcio (nCaCO3), ainda pouco estudado. Sendo assim, este trabalho teve como objetivos desenvolver concretos de ultra-alto desempenho reforçados com microfibras metálicas variando sua relação água/aglomerante (a/agl) e avaliar as propriedades micro-nanomecânicas tanto da matriz, como da zona de transição fibra-matriz, incorporando nanocarbonato de cálcio e sílica coloidal a fim de melhorar o desempenho da zona de transição, especialmente, mas também da matriz. Foram analisadas as propriedades micro-nanomecânicas da matriz e da interface fibra-matriz, assim como a distribuição volumétrica das fases C-S-H através da nanoindentação instrumentada em pastas de cimento. A cinética de hidratação foi avaliada através de calorimetria isotérmica em pastas de cimento. E as propriedades mecânicas em macroescala através de ensaios de módulo de elasticidade dinâmico, resistência à tração na flexão e resistência à compressão em concretos. Foi verificado efeito significativo da relação a/agl, assim como das adições de nCaCO3 e sílica coloidal nas propriedades micro-nanomecânicas. Com a redução na relação a/agl, há aumento significativo nas propriedades micro-nanomecânicas, atribuído à melhora no empacotamento dos produtos C-S-H, medido através da distribuição volumétrica das fases LH C-S-H, HD C-S-H e UHD C-S-H. As adições de nCaCO3 e sílica coloidal levaram a reduções nas propriedades micro-nanomecânicas, o que foi atribuído principalmente à dificuldade de dispersão das partículas em sistemas com baixa quantidade de água. No entanto a combinação das duas adições se mostrou eficiente, principalmente para maior relação água/cimento em análise (0,30), com melhoria nas propriedades mecânicas ao nível na micro-nanoestrutural, bem como, nas propriedades mecânicas convencionais. Também foi observado que as adições minerais reduziram o período de indução. As concentrações de 1% e 2% de nCaCO3 aumentaram o calor total liberado, mostrando seu efeito de nucleação heterogênea e acelerando as reações de hidratação. Considerando as propriedades micro-nanomecânicas na interface microfibras de aço/matriz cimentícia, não foi observada uma região mais porosa ou com desempenho mecânico inferior a própria matriz. Na interface, para menor relação a/agl (0,20), foi verificado a formação predominante de HD C-S-H. As adições minerais de sílica coloidal e nCaCO3 provocaram melhorias apenas na relação a/agl de 0,30. O conjunto dos resultados permitem concluir que a densidade do C-S-H formado nesse tipo de concreto, potencializa suas propriedades mecânicas e de durabilidade.

Abstract: Ultra-high-performance concretes are heterogeneous materials with different phases that can and should be analyzed at various scales, as their mechanical performance is strongly dependent on the properties on a micro and nanometric scale. Important aspects of ultra-high-performance concretes are the micro-nanomechanical properties of the matrix and the transition zone between the fibers and the matrix, as well as the packaging density of calcium silicate hydrate (C-S-H) and the presence of possible flaws in the matrix. In order to improve both transition zone and matrix as a whole, mineral additions such as colloidal silica and calcium nanocarbonate, which has not yet been widely studied can be added to the mixture. This work aimed to develop ultra-high performance steel fiber reinforced concretes varying its water/binder (w/b) ratio and evaluate both the matrix as fiber-matrix transition zone micro-nanomechanical properties, incorporating calcium nanocarbonate (nCaCO3) and colloidal silica to improve transition zone, especially, but also matrix performance. Cementitious matrix and fiber-matrix interface micro-nanomechanical properties were analyzed as well as the volumetric distribution of the C-S-H phases through instrumented nanoindentation in cement pastes. Cement hydration kinetic was analyzed through isothermal calorimetry in cement pastes. In addition, macro-scale mechanical properties were evaluated using dynamic modulus tests, flexural tensile strength and compressive strength in concrete. Effects of the w/b ratio, as well as the additions of nCaCO3 and colloidal silica on micro-nanomechanical properties was observed. The reduction in the w/b ratio led to a significant increase in micro-nanomechanical properties, attributed to the improvement in C-S-H packing density measured through LH C-S-H, HD C-S-H and UHD C-S-H phases volumetric distribution. The additions of nCaCO3 and colloidal silica led to significant reductions in micro-nanomechanical properties, which was mainly attributed to the difficulty of dispersing the particles in systems with low amounts of water. However, the combination of the two additions proved to be efficient mainly for the higher water/cement ratio under analysis (0.30), for which improvements were observed in the mechanical properties at the micro-nanostructural level, as well as in the conventional mechanical properties. It was also observed that mineral additions reduced the induction period. The concentrations of 1% and 2% of nCaCO3 increased the total heat released, showing its heterogeneous nucleation effect and accelerating the hydration reactions. Considering the micro-nanomechanical properties at the steel microfiber/cement matrix interface, a more porous region or with lower mechanical performance than the matrix itself was not observed. At the interface, for a lower w/b ratio (0.20), the predominant formation of HD C-S-H was verified. Mineral additions of colloidal silica and nCaCO3 caused improvements only in the a/agl ratio of 0.30. The set of results allow us to conclude that the density of C-S-H formed in this type of concrete enhances its mechanical and durability properties.