Estabilidade de fases formadas resultantes da hidratação de cimento de aluminato de cálcio, por adição de outros ligantes minerais

Abstract

Nesta dissertação, estudaram-se as fases formadas por hidratação do cimento de aluminato de cálcio (CAC) em argamassas, como ligante único e combinado com outros ligantes, como cimento Portland (OPC) e Gesso (C$), e avaliou-se a sua estabilidade em função de diferentes condições de cura (temperatura e tempo). Foram realizados testes de caracterização a argamassas com várias combinações dos ligantes, a 3 temperaturas de cura (7, 22 e 55 °C) e após 24h e 28 dias de cura, tendo-se avaliado a evolução da retração, da perda de massa, do módulo de elasticidade e da resistência à flexão e à compressão ao longo do tempo, a cada uma das temperaturas acima referidas. O estudo realizado permitiu observar que apenas a formulação (40% OPC+ 60% agregados) se mostrou estável com o tempo e sob as várias condições de cura, evidenciando a necessidade de se estudar as fases de hidratação de argamassas com combinações destes 3 ligantes (CAC, OPC e C$). Neste contexto, selecionou-se a formulação (28% CAC+ 6% OPC+ 6% C$ + 60% agregados) para estudos mais detalhados. Avaliou-se a composição de fases cristalinas por difração de raios-X (DRX), a microestrutura por microscopia eletrónica de varrimento, a área superficial e porosidade por adsorção gasosa, e o comportamento térmico por análise termogravimétrica e térmica diferencial. Os resultados obtidos revelaram a presença de várias fases do CAC (𝐶𝐴, 𝐶𝐴2 e 𝐶12𝐴7) e do OPC (𝐶3𝑆 e 𝐶2𝑆), bem como de fases hidratadas do OPC como a etringite (AFt) e Portlandite, ambas identificadas por SEM na forma de agulhetas e placas hexagonais, respetivamente. Outras fases detetadas incluem a Calcite,a Gelenite, a Laumontite, a Sílica e o monossulfoaluminato (AFm). A intensificação dos picos de DRX do AFm com o tempo e temperatura de cura, aliada ao decréscimo da sua abundância com a temperatura, indiciam um défice de gesso (sulfato), sugerindo a conversão da AFt em AFm por défice de iões sulfato. Por outro lado, a presença das fases de hidratação do CAC (𝐶𝐴𝐻10 e 𝐶2𝐴𝐻8), sugeridas pelas análises térmicas, e a sua conversão em 𝐶3𝐴𝐻6 bem como a de AFt em AFm, podem justificar as instabilidades observadas no comportamento mecânico desta formulação. Estes resultados indiciam que a quantidade de gesso hemi-hidratado presente nesta formulação é insuficiente, sugerindo-se assim que o seu teor seja incrementado ou, alternativamente, que se substitua o gesso por anidrite, fase menos solúvel, para diminuir a extensão da sua reação com o 𝐶3𝐴 do OPC e favorecer a sua reação com o 𝐶𝐴 do CAC

This work is focused on the study of the phases formed by hydration of the calcium aluminate cement (CAC) in mortars, as single binder and in combination with other binders such as Portland cement (OPC) and Gypsum (C$) and on their stability under different curing conditions (temperature and time). Characterization tests were performed on mortars with various combinations of the binders, at 3 cure temperatures (7, 22 and 55 ° C) and after 24h and 28 days of cure, while evaluating the evolution of retraction, the mass loss, the modulus of elasticity and the flexural and compression strength over time, at the temperatures referred above. The results showed that only the formulation (40% OPC + 60% aggregates) was stable over time and under the various curing conditions, pointing out the need to study the hydration phases of mortars with combinations of these 3 binders (CAC, OPC and C$). In this context, the formulation (28% CAC + 6% OPC + 6% C $ + 60% aggregates) was selected for more detailed studies. The crystal phase composition was evaluated by X-ray diffraction (XRD), the microstructure by scanning electron microscopy, the surface area and porosity by gas adsorption, and the thermal behaviour by thermogravimetric and differential thermal analysis. The obtained results revealed the presence of several phases of CAC (𝐶𝐴, 𝐶𝐴2 and 𝐶12𝐴7) and OPC (𝐶3𝑆 e 𝐶2𝑆), as well as hydrated phases of OPC such as ettringite (AFt) and Portlandite, both identified by SEM as needles and hexagonal plates, respectively. Other phases also detected include Calcite, Gelenite, Laumontite, Silica and Monosulphoaluminate (AFm). The intensification of AFm XRD peaks with the time and temperature of cure, together with the decrease of its abundance with the temperature, indicate a deficit of gypsum (sulphate), suggesting the conversion of the AFt in AFm due to sulphate ion deficit. On the other hand, the presence of the CAC hydration phases (𝐶𝐴𝐻10 and 𝐶2𝐴𝐻8), suggested by the thermal analysis, and its conversion as well as that of AFt in AFm, may explain the instabilities observed in the mechanical behaviour of this formulation. These results indicate that the amount of gypsum hemihydrate present in this formulation is insufficient, thus suggesting the increase of its content or, alternatively, that gypsum is replaced with anhydrite, a less soluble phase, to decrease the extent of its reaction with 𝐶3𝐴 from OPC and favour its reaction with 𝐶𝐴 from CAC