Elaboração e caracterização de compósitos cimento : material lenhocelulósico de origem portuguesa

Abstract

O principal objectivo deste trabalho foi o de produzir compósitos a partir de três materiais lenhocelulósicos de origem portuguesa: pinho, eucalipto e cortiça; utilizando o cimento Portland como elemento ligante. Até à produção dos compósitos foi percorrido um longo caminho na tentativa quer de melhorar as propriedades finais dos compósitos quer de melhor compreender as interacções entre dois materiais de natureza tão distinta: materiais lenhocelulósicos e o cimento. Foram determinados os teores em extractáveis para os três materiais lenhocelulósicos usados, utilizando solventes orgânicos de diferentes polaridades. Foi possível concluir que os materiais lenhocelulósicos usados são mais ricos em extractáveis polares do que em apolares. De forma semelhante foi determinado o comportamento dos materiais lenhocelulósicos quando em contacto com água e com uma solução fortemente alcalina, em concreto NaOH 0,1-wt% que permitiu simular o pH de uma pasta de cimento. Estes dois agentes extractores são capazes não só de extrair os compostos pertencentes ao grupo dos extractáveis mas também algumas hemiceluloses de menor peso molecular e lenhina e no caso da cortiça ainda alguma suberina. A solução de NaOH 0,1-wt% à temperatura de ebulição, foi aquela que maior quantidade conseguiu extrair dos materiais lenhocelulósicos. Complementarmente foi estudado o comportamento dos materiais lenhocelulósicos em contacto com soluções que permitiram não só simular o pH de uma pasta de cimento mas também o seu conteúdo de iões em solução. Quando em contacto com uma solução de Ca(OH)2 saturada e a solução sobrenadante de uma pasta de cimento, água de cimento, os materiais lenhocelulósicos revelaram um comportamento diferente do verificado com todos os agentes extractores anteriores. Se por um lado estas duas últimas soluções têm um forte poder extractivo devido em parte ao seu elevado pH, por outro os materiais lenhocelulósicos parecem ter a capacidade de reter alguns catiões retirando-os da solução. Após a caracterização quantitativa dos extractáveis, compostos que supostamente inibem a reacção de hidratação do cimento e consequentemente influenciam de forma negativa as propriedades físicomecânicas dos compósitos, foi estudada a influência real que os materiais lenhocelulósicos provocam na reacção de hidratação do cimento. Para o efeito prepararam-se várias pastas de cimento às quais foram adicionados cada um dos materiais lenhocelulósicos, quer no seu estado original quer após extracção por alguns dos agentes extractores anteriormente referidos ou ainda adicionado um acelerador de presa. O comportamento das pastas preparadas foi monitorizado ao longo do tempo recorrendo-se para isso a técnicas experimentais como: monitorização da temperatura, análise por Difracção de Raio-X e análise Térmica Diferencial e Termo Gravimétrica. A monitorização da temperatura permitiu calcular os Índices de Inibição de cada uma das espécies de material lenhocelulósico relativamente ao cimento, enquanto que as restantes técnicas utilizadas permitiram o acompanhamento de cada uma das fases que foram consumidas ou produzidas durante a reacção de hidratação do cimento. Este estudo exaustivo permitiu concluir que todos os materiais lenhocelulósicos atrasam em maior ou menor grau o normal decorrer da reacção de hidratação do cimento sendo o pinho, ainda que não significativamente diferente dos restantes, o que maior influência negativa provoca. A extracção prévia dos materiais lenhocelulósicos por etanol é aquela, de entre o grupo dos solventes orgânicos, que alcançou a maior melhoria nos Índices de Inibição. Com a extracção prévia com água ou com a solução NaOH 0,1-wt%, à temperatura ambiente, foi possível obter uma melhoria, nos Índices de Inibição, ligeiramente superior relativamente a qualquer um dos solventes orgânicos. O tratamento mais eficaz foi no entanto a simples adição de um acelerador de presa comum, o CaCl2. Com base nos estudos de compatibilidade foram seleccionadas apenas algumas condições para a produção dos compósitos. Os compósitos foram produzidos à custa de materiais lenhocelulósicos sem qualquer tratamento ou previamente extraídos com água ou NaOH 0,1-wt%, à temperatura ambiente, ou com a adição de 2-wt% CaCl2. Os compósitos foram produzidos sob a forma de betão e painéis e segundo diferentes razões mássicas cimento / material lenhocelulósicos e cimento / material lenhocelulósicos / água. O estudo das propriedades físico-mecânicas permitiu concluir que os compósitos sob a forma de betão são passíveis de utilização como betão leve estrutural, enquanto que para os painéis se concluiu que estes cumpriam os requisitos exigidos pelas normas aplicáveis neste tipo de materiais excepto no que diz respeito à resistência em flexão. Embora os tratamentos ou a adição de acelerador tenham permitido melhorar as propriedades físico-mecânicas dos painéis, estes métodos de melhoria não se mostraram imprescindíveis no que diz respeito ao cumprimento dos requisitos. Mais uma vez a simples adição do acelerador de presa foi o método que permitiu alcançar melhores resistências mecânicas nos compósitos quer sob a forma de betão quer sob a forma de painel.

ABSTRACT: The principal aim of this work was the production of composites from three lignocellulosic materials of portuguese origin: maritime pine, blue gum and cork; using Portland cement as a binder. Before composites production, a long path was made in the attempt of improve the physical and mechanical properties of the composites and to better understand the interactions between such different lignocellulosic materials and cement. The extractive contents of maritime pine, blue gum and cork were determined for organic solvents of differents polarities. It was concluded that the lignocellulosic materials are richer in polar extractives than in non polar ones. In a similar way was determined the behaviour of the lignocellulosic materials when in contact with water and with a NaOH 0.1-wt% solution, which allows the simulation of the chemical environment of a cement suspension in terms of pH. These two last extracting agents are capable of extracting not only the substances belonging to the extractive group, but also some hemicelluloses of low molecular weight, as well as lignin and suberin in case of cork. The NaOH 0.1-wt% solution at 100ºC is the most powerful extractive agent of all. The behaviour of the lignocellulosic materials when in contact with solution, which allowed the simulation of the chemical environmental of a cement suspension, was also studied. For these propose were used two differents solutions, a saturated Ca(OH)2 solution and the filtrate of a cement suspension. In these two solutions the lignocellulosic materials showed a different behaviour in comparison to the other extractive agents. On one hand, these two solutions still have a strong extractive power due to their high pH values; on the other hand, the lignocellulosic materials seem to have the ability of retain some cations, taking them from the solutions. After this quantitative characterization of the extractives, the real interaction of the lignocellulosic materials in the reaction of cement with water was studied. This study was made using calorimetric, x-rays and thermal techniques and it included lignocellulosic materials without any treatment and after extracted with some of the extracting agents refereed previously and with simple addition of a concrete setting-time accelerator (CaCl2). Substances which are pointed out as inhibitors of the cement reaction with water are responsible for the consecutive decreased of the physical and mechanical properties of the composites. The calorimetric technique conducted to the determination of the Inhibition Indexes and the other two techniques allowed the monitoring of the crystalline phases evolution (consumed or produced) during the reaction between cement and water. The conclusion of this study was that all lignocellulosic materials retard in a higher or lower extend the reaction between cement and water. Although the maritime pine was the lignocellulosic material for which the Inhibition Indexes were bigger, meaning that is the less compatible material, the indexes weren’t significantly different from the other two species. Among the organic solvents used to pre-extract the lignocellulosic materials, etanol was the one that conducted to a higher improvement of the Inhibition Indexes. The use of water and NaOH 0.1-wt% solution, both at room temperature, to pre-extract the lignocellulosic material conducted to better results when compared with the organic solvents. Nevertheless the most efficient treatment was the addition of a concrete setting-time agent, CaCl2 to the cement-lignocellulosic materialswater mixture. The previous studies allowed choosing only some conditions to prepare the composites. The composites were produced with lignocellulosic materials without any treatment ou pre-extracted with water or NaOH 0.1-wt% solution at room temperature and also with the addition of CaCl2. The composites were made in two differents ways: as concrete and in shape of a panel; and different cement / lignocellulosic materials and cement / lignocellulosic materials / water ratios were used. The results obtained for the physical and mechanical properties of the composites produced as concrete lead to the conclusion that they can be used as lightweight concrete. The panel were submitted to all kind of test described in the European Standards valid for this composite material. The panel meet all the requirements except concerning the bending strength, although the treatments applied conducted to better mechanical properties they weren’t indispensable to meet the mechanical requirements. Once more the best treatment in terms of mechanical properties was the addition of CaCl2 to both kinds of composites.