Chemical potential diagrams as guideline for phase stability and reactivity in cementitious systems

Abstract

Os cimentos são materiais complexos, cuja constituição tem variado ao longo da história de diferentes civilizações e localização geográfica, devido a limitações tecnológicas ou ao condicionamento das matérias-primas disponíveis. As crescentes mudanças na natureza do cimento (por exemplo, os “blendings”), os requisitos apertados de controlo de qualidade assim como as imposições ambientais (por exemplo e o controlo das emissões de CO2), aumentaram a complexidade tecnológica dos cimentos. Neste trabalho foi proposta uma abordagem termodinâmica aos processos físico-químicos associados aos cimentos. Foi desenvolvida uma metodologia particular para a construção de diagramas não-convencionais que servem de guias para processos relevantes na química do cimento, nomeadamente a clinkerização, hidratação, carbonatação e degradação térmica, dando ênfase aos cimentos Portland. Diagramas construídos à base de actividades químicas descrevem adequadamente interacções entre as fases constituintes do cimento e os efeitos exercidos por gases presentes na atmosfera, em particular, o CO2 e a humidade atmosférica. As representações de diagramas em função de razões entre actividades permitem uma fácil visualização das condições de estabilidade de fases e também são indicativas da reactividade, tendo em conta que a força-motriz para os processos físico-químicos resulta de diferenças ou gradientes de potencial químico e correspondentes diferenças de actividade. Embora estes diagramas sejam uma ferramenta útil e interessante para analisar as interacções entre materiais cimentíceos e o meio envolvente, a cinética pode implicar tendências algo diferentes das previsões termodinâmicas. Contudo, essa avaliação cinética tornar-se-ia muito mais complexa e fora do alcance do presente trabalho, sobretudo tendo em conta a sua duração e meios disponíveis.

ABSTRACT: Cements are complex materials. Their compositions have varied in history and location for different civilizations, mainly due to technologic limitations and/or available raw materials. Recent changes in raw materials (e.g., blendings), requirements of tighter quality control and environmental concerns (e.g., the green house effect of CO2) imposed additional technological requirements in industrial production of cements. In this work, it is proposed a thermodynamic analysis for physicochemical processes occurring in cements. One developed an alternative method for thermodynamic predictions of non-conventional stability diagrams, and used these diagrams as guidelines to interpret relevant phenomena, including clinkerization, hydration, carbonation and thermal degradation of Portland cements. Such diagrams are based on chemical activities, and are well suitable to describe interactions between phases present in cements and atmospheric gases, with emphasis on CO2 and humidity. The actual representation of stability diagrams versus relevant activity ratios allows ready analysis of stability conditions for every phase, and also provides guidelines for their reactivity, taking into account that the driving-force for physicochemical processes is related to chemical potential differences or gradients, and corresponding activity differences. Though these stability diagrams are useful to analyze phase interactions in cements and interactions with the surrounding environment, kinetics may impose somewhat different trends, rather than the expected thermodynamic predictions. However, kinetic analysis is much more complex and well beyond the scope of this work, due to limitations imposed by short duration and available means.