Autocicatrização de fissuras em materiais cimentícios mediante ao encapsulamento de minerais expansivos

Abstract

Materiais autocicatrizantes e o desenvolvimento de agentes de cura encapsulados são considerados atualmente como uma das abordagens mais promissoras para aumentar a vida útil e reduzir o custo de manutenção das edificações à base de materiais cimentícios. Neste contexto, esta pesquisa investigou a aplicação de novos materiais usados como agentes expansivos para promover o selamento de fissuras em materiais à base de cimento. Este posto, foi utilizado como agente autocicatrizante o cimento de aluminato de cálcio (CAC) em conjunto com o gesso FGD, um subproduto da dessulfurização do gás SO2, lama vermelha (LV) e cinza pesada (CZP) com o intuito de desenvolver o encapsulamento através de pellets, com e sem revestimento de cimento Portland (PC) e silicato de sódio (SS). Na primeira etapa, foram produzidos pellets com os materiais de agentes de cura em diferentes tamanhos (0,6-1,18 mm, 1,18-2,34 mm e 2,34-4,75 mm). Os pellets foram avaliados quanto às suas propriedades físicas e morfológicas, bem como o potencial de reatividade do agente de cura para promover a autocicatrização de materiais cimentícios. Isso foi feito por meio dos ensaios de adsorção e dessorção de nitrogênio (porosidade e área superficial), distribuição do tamanho das partículas e o fator de forma (Software Image-J - MEV), e DRX/TGA, respectivamente. Além disso, foi observada a formação do invólucro nos pellets por meio da análise microestrutural do revestimento, utilizando ensaios de FTIR e imagens de MEV. Na segunda etapa, os pellets foram incorporados em argamassas, substituindo a areia nos teores de 10% e 20%, com o objetivo de avaliar as propriedades em estado fresco (índice de consistência, massa específica), propriedades mecânicas (módulo de elasticidade, resistência à flexão e resistência à extensão), bem como a distribuição dos pellets na matriz cimentícia. Foi avaliado o isolamento das fissuras superficiais e internas (microscópio óptico e técnicas de ultrassom), recuperação das propriedades de durabilidade (absorção de água por capilaridade, sorptividade e permeabilidade de água). Os produtos de autocura formados entre as fissuras foram identificados por FTIR e TGA. Os resultados evidenciam que a inclusão de pellets teve um impacto limitado na trabalhabilidade das argamassas, especialmente nas amostras que empregaram pellets revestidos com PC e SS. Além disso, as propriedades mecânicas da argamassa com pellets de agente expansivo, desprovidos de revestimento, manifestaram melhorias notáveis, com acréscimos de até 17% e 19% na resistência à flexão e extremas, respectivamente. Na análise estatística, não foram identificadas diferenças significativas entre as argamassas com pellets revestidos para a resistência à melhoria e flexão. Quanto à autocicatrização as amostras com pellets compostas por agente expansivo sem revestimento alcançaram um selamento de até 60% das fissuras superficiais com reduções de 45% na absorção de água e 47% no coeficiente de sorptividade. O revestimento dos pellets com PC e SS, independente do agente de cura, proporcionou uma camada de proteção mais eficaz, resultando em um selamento de até 92% e 72% das fissuras superficiais e internas, respectivamente. Além disso, a incorporação de pellets revestidos contribuiu para uma redução de 52% na absorção de água e 67% na sorptividade. Por fim, a composição com agente expansivo (CAC-FGD) demonstrou maior eficácia na promoção da autocicatrização das fissuras em comparação com a incorporação de LV e CZP no sistema.

Abstract: Self-healing materials and developing encapsulated curing agents are currently considered one of the most promising approaches to increase the lifespan and reduce maintenance costs of cement-based structures. In this context, this research investigated the application of new materials used as expansive agents to promote crack sealing in cement-based materials. Consequently, calcium aluminate cement (CAC) was utilized as a self-healing agent in conjunction with FGD gypsum, a byproduct of SO2 gas desulfurization, red mud (LV), and heavy ash (CZP) to develop encapsulation through pellets, with and without coatings of Portland cement (PC) and sodium silicate (SS). In the initial phase, pellets were produced using curing agent materials in different sizes (0.6-1.18mm, 1.18-2.34 mm, and 2.34-4.75mm). The pellets were evaluated for their physical and morphological properties and the reactivity potential of the curing agent to promote self-healing of cementitious materials through nitrogen adsorption and desorption tests (porosity and surface area), particle size distribution, and shape factor (Image-J Software - SEM), and XRD/TGA, respectively. Additionally, the envelope formation on the pellets was observed through microstructural analysis of the coating using FTIR and SEM images. In the second phase, the pellets were incorporated into mortars by replacing sand at 10% and 20% levels to evaluate fresh state properties (consistency index, density), mechanical properties (modulus of elasticity, flexural strength, and compressive strength), as well as the distribution of pellets in the cementitious matrix. The sealing of surface and internal cracks was evaluated using optical microscopy and ultrasound techniques, and the recovery of durability properties (capillary water absorption, sorptivity, and water permeability) was assessed. FTIR and TGA identified self-healing products formed between the cracks. The results demonstrate that the inclusion of pellets had a limited impact on the workability of mortars, especially in samples using pellets coated with PC and SS. Furthermore, the mechanical properties of the mortar with expansive agent pellets, without coating, showed notable improvements, with increases of up to 17% and 19% in flexural and compressive strength, respectively. In statistical analysis, no significant differences were identified between mortars with coated pellets for compressive and flexural strength. Regarding self-healing, samples with pellets composed of uncoated expansive agents achieved sealing up to 60% of surface cracks, with reductions of 45% in water absorption and 47% in the sorptivity coefficient. Coating the pellets with PC and SS, regardless of the curing agent, provided a more effective protective layer, sealing up to 92% and 72% of surface and internal cracks, respectively. Additionally, incorporating coated pellets contributed to a 52% reduction in water absorption and a 67% reduction in sorptivity. Finally, the composition with the expansive agent (CAC- FGD) demonstrated greater effectiveness in promoting crack self-healing compared to the incorporation of LV and CZP in the system.