Síntese de complexos de silicato de cálcio hidratado/polímeros

Pelisser, F.; Gleize, P. J. P.; Peterson, M.

doi:10.1590/S1983-41952011000500002

Resumos

O cimento hidratado, composto majoritariamente por C-S-H, é um material frágil com baixa resistência à tração. Sabe-se também que a adição de sílica ativa ao concreto torna-o mais resistente e, conseqüentemente, mais durável, mas, em contrapartida, ainda mais frágil. Para tornar o C-S-H mais dúctil, uma alternativa é a fabricação de nanocompósitos ou híbridos C-S-H/polímero. A intercalação de moléculas orgânicas na nanoestrutura do C-S-H e de outros hidratos do cimento pode ocasionar mudanças radicais das propriedades em todas as ordens de grandeza, produzindo produtos cimentícios mais resistentes e também mais dúcteis. O principal objetivo deste trabalho é avaliar a possibilidade de intercalação de compostos orgânicos na nanoestrutura do silicato de cálcio hidratado (C-S-H), principal composto de hidratação do cimento Portland, visando a formação de nanocompósitos com propriedades diferenciadas. Para isso, foram sintetizados géis de C-S-H com varias relações molares Ca/Si a partir de dois métodos (síntese por precipitação e síntese pozolânica); sem e com a presença de polímeros. Foram avaliados os efeitos do poli-cloreto de dialilmetilamonia (PDC-utilizado na fabricação de superplastificantes), apontado pela literatura como capaz de se intercalar no espaço interplanar do C-S-H [1,2,3,4,5], e do copolímero acetato de vinila/etileno (EVA), apontado pela literatura como modificador da morfologia do C-S-H [6,7]. O polímero de PDC propiciou alteração na ligação nanoestrutural do C-S-H de síntese, influenciando na distância interplanar e no tipo de ligação na região de dreierketten e wollastonita, porém esta modificação é parcial e em taxas que ainda devem ser investigadas, as quais são provavelmente influenciadas pelas características complexas de formação - quanto ao tipo de ligação - e pela formação aleatória e pouco cristalina do C-S-H.

C-S-H; nanoestrutura; polímeros

Hydrated cement paste, composed for the most part by calcium silicate hydrate (C-S-H), is a fragile material with low tensile strength. It is also well known that the addition of silica fume to concrete increases its strength and, consequently, makes it more durable, though also more fragile. To produce more ductile C-S-H, one alternative is the synthesis of C-S-H/polymer nanocomposites or hybrids. The intercalation of organic molecules in C-S-H nanostructure and other cement hydrates can promote radical changes in their properties of all magnitudes, producing cement based materials with greater strength that are also more ductile. The main objective of this work was to study the possibility of intercalation of organic compounds within C-S-H nanostructure, aimed at the synthesis of nanocomposites with atypical properties. Thus, C-S-H gels were synthesized with various Ca/Si molar ratios using two synthesis methods (precipitation synthesis and pozzolanic synthesis), with or without the presence of polymers. The effect of poly-diallyldimethylammonium chloride (PDC - used as the basis for superplasticizers for concrete) was evaluated, indicated by the literature as capable of intercalating between the C-S-H lamellae [1-5], and copolymer poly(ethylene-co-vinyl acetate) (EVA), indicated by the literature as a modifier of C-S-H morphology [6,7]. The PDC polymer promoted alterations in C-S-H synthesis nanostructural bonding, influencing the interlayer distance and the type of bonding in the dreierketten and wollastonite chains. However, this modification was partial and occurred at rates that require further investigation, since they are probably influenced by the complex characteristics of formation, both by the type of bond and by the irregular and minimally crystalline formation of C-S-H.

C-S-H; nanostructure; polymers

^IPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM. Universidade do Extremo Sul Catarinense. pelisser@hotmail.com. CEP: 88802225. Criciúma. Brasil

^IIPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil. Universidade Federal de Santa Catarina. ecv1phg@ecv.ufsc.br. C.P. 476. Florianópolis. Brasil

^IIIDepartamento de Engenharia Química, Universidade do Extremo Sul Catarinense. mpe@unesc.net. CEP: 88806000. Criciúma. Brasil

RESUMO

O cimento hidratado, composto majoritariamente por C-S-H, é um material frágil com baixa resistência à tração. Sabe-se também que a adição de sílica ativa ao concreto torna-o mais resistente e, conseqüentemente, mais durável, mas, em contrapartida, ainda mais frágil. Para tornar o C-S-H mais dúctil, uma alternativa é a fabricação de nanocompósitos ou híbridos C-S-H/polímero. A intercalação de moléculas orgânicas na nanoestrutura do C-S-H e de outros hidratos do cimento pode ocasionar mudanças radicais das propriedades em todas as ordens de grandeza, produzindo produtos cimentícios mais resistentes e também mais dúcteis. O principal objetivo deste trabalho é avaliar a possibilidade de intercalação de compostos orgânicos na nanoestrutura do silicato de cálcio hidratado (C-S-H), principal composto de hidratação do cimento Portland, visando a formação de nanocompósitos com propriedades diferenciadas. Para isso, foram sintetizados géis de C-S-H com varias relações molares Ca/Si a partir de dois métodos (síntese por precipitação e síntese pozolânica); sem e com a presença de polímeros. Foram avaliados os efeitos do poli-cloreto de dialilmetilamonia (PDC-utilizado na fabricação de superplastificantes), apontado pela literatura como capaz de se intercalar no espaço interplanar do C-S-H [1,2,3,4,5], e do copolímero acetato de vinila/etileno (EVA), apontado pela literatura como modificador da morfologia do C-S-H [6,7]. O polímero de PDC propiciou alteração na ligação nanoestrutural do C-S-H de síntese, influenciando na distância interplanar e no tipo de ligação na região de dreierketten e wollastonita, porém esta modificação é parcial e em taxas que ainda devem ser investigadas, as quais são provavelmente influenciadas pelas características complexas de formação - quanto ao tipo de ligação - e pela formação aleatória e pouco cristalina do C-S-H.

Palavras-chave: C-S-H, nanoestrutura, polímeros.

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5. Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelo apoio financeiro.

Received: 22 Oct 2009

Accepted: 23 Nov 2010

Available Online: 28 Nov 2011

[01] MATSUYAMA, H.; YOUNG, J.F. The formation of C-S-H/polymer complexes by hydration of reactive β-dicalcium silicate, Concrete Science and Technology, 1, 1999, p. 66-75.(a)
[02] MATSUYAMA, H.; YOUNG, J.F. The formation of C-S-H/polymer complexes with superplasticizing polymers, Concrete Science and Technology, 1, 1999, p. 148-156.(b)
[03] MATSUYAMA, H.; YOUNG, J.F. Synthesis of calcium silicate hydrate/polymer complexes: Part I: Anionic and nonionic polymers, Journal of Materials Research, 14, 1999, p. 3379-3388.(c)
[04] MATSUYAMA, H.; YOUNG, J.F. Synthesis of calcium silicate hydrate/polymer complexes: Part I: Cationic polymers and complex formation with different polymers, Journal of Materials Research, 14, 1999, p. 3389-3396.(d)
[05] MATSUYAMA, H.; YOUNG, J.F. Intercalation of Polymers in Calcium Silicate Hydrate: A New Synthetic Approach to Biocomposites? Chemisty of Materials, 11, p. 1999, p. 16-19.(e)
[06] SILVA, D.A. MONTEIRO, PJM. Hydration evolution of C3S-EVA composites analyzed by soft X-ray microscopy. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH Volume: 35 Issue: 2 Pages: 351-357 Published: FEB 2005.
[07] SILVA, D.A. ROMAN, HR. GLEIZE, PJP. Evidences of chemical interaction between EVA and hydrating Portland cement. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH Volume: 32 Issue: 9 Pages: 1383-1390 Published: SEP 2002.
[08] PELLENQ, R.J.-M., LEQUEUX, N., VAN DAMME, H. Engineering the bonding scheme in C-S-H: The iono-covalent framework. Cement and Concrete Research, 38, 2008, p. 159-174.
[09] GLEIZE, P. J. P. Nanotecnologia e materiais de construção. In: G.C. Isaia. (Org.). Materiais de Construção Civil e Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais. São Paulo - SP: Instituto Brasileiro de Concreto - IBRACON, 2007, v. 2, p. 1659-1685.
[10] MERLIN, F. LOMBOIS, H. JOLY, S. LEQUEUX, N. HALARY, J. L. VAN DAMME, H. Cement-polymer and clay-polymer nano- and meso-composites: spotting the difference. J. Material Chemistry, v. 12, 2002, p. 3308-3315.
[11] GLEIZE, P. J. P. PELISSER, F. Natureza da coesão do C-S-H e efeito de aditivos orgânicos na sua nanoestrutura. In: 49° Congresso Brasileiro do Concreto, 2007, Bento Gonçalves.
[12] POPOVA, A. GEOFFROY, G. GONNORD, M. F. R. FAUCON, P. GARTNER, E. Interactions between polymeric dispersants and calcium silicate hydrates. J. American Ceramic Society, v. 83, n. 10, 2000, p. 2556-2560.
[13] GMIRA, A., Etude texturale et thermodynamique d'hydrates modèles du ciment, Tese de Doutorado, Universite d' Orleans, França, 2003.
[14] SILVA, D.A. Efeito dos polímeros HEC e EVA na microestrutura e nas propriedades de pastas de cimento Portland, Tese de doutorado, Curso de Pós-Gradução en Ciência e Engenharia dos Materiais, Univ. Fed. de Sta Catarina, Florianópolis, SC, Brasil, 2001.
[15] MOSTAFA, N. Y.; SHALTOUT, A. A.; OMAR H.; ABO-EL-ENEIN, S.A. Hydrothermal synthesis and characterization of aluminium and sulfate substituted 1.1 nm tobermorites. Journal of Alloys and Compounds. 2008, Article in Press.
[16] PELISSER, F.; GLEIZE, P.J.P.; MIKOWSKI, A. Effect of poly(diallyldimethylammonium chloride) on nanostructure and mechanical properties of calcium silicate hydrate. Materials Science & Engineering A, Structural Materials: properties, microstructure and processing. v. 527, p. 7045-7049, 2010.

Síntese de complexos de silicato de cálcio hidratado/polímeros

F. Pelisser^I; P. J. P. Gleize^II; M. Peterson^III

Datas de Publicação

Publicação nesta coleção
10 Set 2013
Data do Fascículo
Dez 2011

Histórico

Recebido
22 Out 2009
Aceito
23 Nov 2010

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

[1] [01] MATSUYAMA, H.; YOUNG, J.F. The formation of C-S-H/polymer complexes by hydration of reactive β-dicalcium silicate, Concrete Science and Technology, 1, 1999, p. 66-75.(a)

[2] [02] MATSUYAMA, H.; YOUNG, J.F. The formation of C-S-H/polymer complexes with superplasticizing polymers, Concrete Science and Technology, 1, 1999, p. 148-156.(b)

[3] [03] MATSUYAMA, H.; YOUNG, J.F. Synthesis of calcium silicate hydrate/polymer complexes: Part I: Anionic and nonionic polymers, Journal of Materials Research, 14, 1999, p. 3379-3388.(c)

[4] [04] MATSUYAMA, H.; YOUNG, J.F. Synthesis of calcium silicate hydrate/polymer complexes: Part I: Cationic polymers and complex formation with different polymers, Journal of Materials Research, 14, 1999, p. 3389-3396.(d)

[5] [05] MATSUYAMA, H.; YOUNG, J.F. Intercalation of Polymers in Calcium Silicate Hydrate: A New Synthetic Approach to Biocomposites? Chemisty of Materials, 11, p. 1999, p. 16-19.(e)

[6] [06] SILVA, D.A. MONTEIRO, PJM. Hydration evolution of C3S-EVA composites analyzed by soft X-ray microscopy. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH Volume: 35 Issue: 2 Pages: 351-357 Published: FEB 2005.

[7] [07] SILVA, D.A. ROMAN, HR. GLEIZE, PJP. Evidences of chemical interaction between EVA and hydrating Portland cement. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH Volume: 32 Issue: 9 Pages: 1383-1390 Published: SEP 2002.

[8] [08] PELLENQ, R.J.-M., LEQUEUX, N., VAN DAMME, H. Engineering the bonding scheme in C-S-H: The iono-covalent framework. Cement and Concrete Research, 38, 2008, p. 159-174.

[9] [09] GLEIZE, P. J. P. Nanotecnologia e materiais de construção. In: G.C. Isaia. (Org.). Materiais de Construção Civil e Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais. São Paulo - SP: Instituto Brasileiro de Concreto - IBRACON, 2007, v. 2, p. 1659-1685.

[10] [10] MERLIN, F. LOMBOIS, H. JOLY, S. LEQUEUX, N. HALARY, J. L. VAN DAMME, H. Cement-polymer and clay-polymer nano- and meso-composites: spotting the difference. J. Material Chemistry, v. 12, 2002, p. 3308-3315.

[11] [11] GLEIZE, P. J. P. PELISSER, F. Natureza da coesão do C-S-H e efeito de aditivos orgânicos na sua nanoestrutura. In: 49° Congresso Brasileiro do Concreto, 2007, Bento Gonçalves.

[12] [12] POPOVA, A. GEOFFROY, G. GONNORD, M. F. R. FAUCON, P. GARTNER, E. Interactions between polymeric dispersants and calcium silicate hydrates. J. American Ceramic Society, v. 83, n. 10, 2000, p. 2556-2560.

[13] [13] GMIRA, A., Etude texturale et thermodynamique d'hydrates modèles du ciment, Tese de Doutorado, Universite d' Orleans, França, 2003.

[14] [14] SILVA, D.A. Efeito dos polímeros HEC e EVA na microestrutura e nas propriedades de pastas de cimento Portland, Tese de doutorado, Curso de Pós-Gradução en Ciência e Engenharia dos Materiais, Univ. Fed. de Sta Catarina, Florianópolis, SC, Brasil, 2001.

[15] [15] MOSTAFA, N. Y.; SHALTOUT, A. A.; OMAR H.; ABO-EL-ENEIN, S.A. Hydrothermal synthesis and characterization of aluminium and sulfate substituted 1.1 nm tobermorites. Journal of Alloys and Compounds. 2008, Article in Press.

[16] [16] PELISSER, F.; GLEIZE, P.J.P.; MIKOWSKI, A. Effect of poly(diallyldimethylammonium chloride) on nanostructure and mechanical properties of calcium silicate hydrate. Materials Science & Engineering A, Structural Materials: properties, microstructure and processing. v. 527, p. 7045-7049, 2010.