Abstract Alternatives to conventional Portland cement with a more sustainable appeal are increasingly recurrent. Among these are the Limestone Calcined Clay (LC3) systems, characterized by high replacement percentages of Portland clinker by calcined clay and limestone, materials widely available worldwide. A complete understanding of the rheological behavior of LC3 systems is necessary for the practical application of this type of cement to be consolidated. Furthermore, although not yet investigated, the incorporation of nanomaterials stands out as a promising alternative for accelerating reactions and enhancing the mechanical performance of these systems at early ages. This study investigated the incorporation of carbon nanotubes (CNT) contents from 0.05 to 0.125% in an LC3 system through rotational rheometry, isothermal calorimetry, compressive strength at 7 and 28 days, and X-ray diffraction. Although the CNT incorporation increased the dynamic yield stress and equivalent viscosity of the LC3 pastes, the content of 0.1 wt.% slightly increased and anticipated the occurrence of the main peak of the aluminates. Increases of up to 13.5% in compressive strength at 7 and 28 days of hydration were observed for a CNT content of 0.1 wt.%.

Resumo Alternativas ao cimento Portland convencional com apelo mais sustentável são cada vez mais recorrentes. Entre elas estão os sistemas Limestone Calcined Clay (LC3), caracterizados por altos percentuais de substituição do clínquer Portland por argila calcinada e calcário, materiais amplamente disponíveis em todo o mundo. Um completo entendimento do comportamento reológico dos sistemas LC3 é necessário para que a aplicação prática deste tipo de cimento seja consolidada. Além disso, embora ainda não investigada, a incorporação de nanomateriais se destaca como uma alternativa promissora para acelerar reações e melhorar o desempenho mecânico desses sistemas em idades precoces. Este estudo investigou a incorporação de teores de nanotubos de carbono (CNT) de 0,05 a 0,125% em um sistema LC3 por meio de reometria rotacional, calorimetria isotérmica, resistência à compressão aos 7 e 28 dias e difração de raios-X. Embora a incorporação de CNT tenha aumentado a tensão de escoamento e a viscosidade equivalente das pastas LC3, o teor de 0,1% aumentou ligeiramente e antecipou a ocorrência do pico principal dos aluminatos. Aumentos de até 13,5% na resistência à compressão aos 7 e 28 dias de hidratação foram observados para um teor de CNT de 0,1% em massa.

Abstract Evaluating the effects of nanomaterials in cementitious systems is paramount to projecting high-performance construction materials. However, the synthesis of some nanomaterials on a large scale and their toxicity may limit their application. In this context, nanofibrillated cellulose (NFC), a biodegradable and natural material stand out. Thus, this paper aims to study the influence of NFC on the fresh, hardened properties (compressive and flexural strengths) and mineralogy of cementitious systems. The results indicated that incorporating up 0.075 wt.% to CNF reduced the spread of cement pastes by up to 14.0%. A CNF content of 0.025 wt.% increased the 28-d compressive and flexural strengths by 22.0% and 25.0%, respectively, compared to the control sample. The X-ray diffraction (XRD) results indicate that higher NFC contents (>0.025 wt.%) resulted in lower intensity portlandite peaks after 7 days, which may show a lower hydration degree, especially concerning the plain cement paste. These results suggest that the NFC can affect the hydration of cementitious matrices at early ages; however, it did not significantly affect the hydration degree after 28 days of hydration.

Resumo Avaliar os efeitos dos nanomateriais em sistemas cimentícios é fundamental para projetar materiais de construção de alto desempenho. No entanto, alguns nanomateriais tem a sua aplicação limitada à toxicidade e síntese em larga escala. Nesse contexto, destaca-se a celulose nanofibrilada (NFC), um material biodegradável e natural. Assim, este trabalho tem como objetivo estudar a influência do NFC nas propriedades no estado fresco, endurecido (resistências à compressão e à flexão) e mineralogia de sistemas cimentícios. Os resultados indicaram que a incorporação de até 0,075% em massa da CNF reduziu o espalhamento das pastas de cimento em até 14,0%. Um teor de CNF de 0,025% em massa aumentou as resistências à compressão e a flexão de 28 dias em 22,0% e 25,0%, respectivamente, em comparação com as amostras de controle. Os resultados da difração de raios-X (DRX) indicaram que maiores teores de CNF (>2,5%) resultaram em picos de portlandita de menor intensidade após 7 dias, o que pode indicar um menor grau de hidratação, principalmente em relação à pasta de cimento de referência. Esses resultados sugerem que a NFC pode afetar a hidratação de matrizes cimentícias em idades precoces; entretanto, não afetou significativamente o grau de hidratação após 28 dias de hidratação.

Resumo A sonicação é amplamente utilizada para dispersão de nanomateriais em matrizes cimentícias. Aditivos superplastificantes à base de policarboxilato (SP) são geralmente incorporados na suspensão aquosa de nanomateriais antes da sonicação para melhorar a dispersão desses materiais. No entanto, o efeito da sonicação na estrutura molecular e no desempenho de dispersão do SP não foi totalmente investigado. Este trabalho avaliou o efeito da sonicação de um SP comercial a 20 kHz, potência de 750 W, amplitude de 50 e 80%, durante 15 e 30 min. Inicialmente, o efeito de sonicação foi avaliado em suspensão aquosa, determinando a distribuição de tamanho do SP (através de espalhamento dinâmico de luz – DLS) e potencial zeta. Posteriormente, as suspensões aquosas de SP foram utilizadas para a produção de pastas de cimento Portland. Foram realizados ensaios reológicos durante os primeiros 120 minutos de hidratação e a resistência à compressão foi avaliada aos 14 e 28 dias. Os resultados do potencial zeta e DLS sugeriram que a sonicação reduz o tamanho das cadeias de SP. Como resultado, a sonicação do SP aumentou a tensão de escoamento dinâmica inicial, a viscosidade e a área de histerese das pastas de cimento. Em contraste, a sonicação SP melhorou seu desempenho de dispersão ao longo do tempo, resultando em pastas com viscosidade reduzida a partir de 80 minutos. Finalmente, a sonicação SP não afetou a resistência à compressão das pastas de cimento aos 14 e 28 dias de hidratação. Em geral, quando o SP é disperso via sonicação juntamente com nanopartículas para aplicação em matrizes cimentícias, o efeito de sonicação do aditivo químico deve ser levado em consideração quando as propriedades de estado fresco do compósito são avaliadas.

Abstract Sonication is widely used for nanomaterials dispersion in cementitious matrices. Polycarboxylate-based superplasticizer (SP) admixtures are usually incorporated in the aqueous nanomaterials suspension before sonication to improve the dispersion of these materials. Nevertheless, the effect of sonicating SP on its molecular structure or dispersing performance has not been fully investigated. This work assessed the effect of sonicating a commercial SP at 20 kHz, 750 W power, 50 or 80% amplitude, during 15 and 30 min. Initially, the sonication effect was evaluated in aqueous suspension by determining the SP size distribution (through dynamic light scattering – DLS) and zeta potential. Subsequently, the aqueous SP suspensions were used for Portland cement paste production. Rheological tests up to 120 minutes and compressive strength at 14 and 28 days were conducted. DLS and zeta potential results suggested that sonication reduce the size of SP chains. As a result, SP sonication increased the initial dynamic yield stress, viscosity, and hysteresis area of cement pastes. In contrast, SP sonication improved its time-dependent dispersing performance, resulting in pastes with reduced viscosity from 80 minutes onwards. Finally, SP sonication did not affect the compressive strength of cement pastes at 14 and 28 days of hydration. Overall, when SP is sonicated together with nanoparticles for application in cementitious matrices, the effect of sonicating the chemical admixture must be considered when the fresh-state properties of the composite are evaluated.

ABSTRACT This study aimed to evaluate the residual compressive strength of LC3 cement mortars after exposure to high temperatures (200, 400, 600, 800, and 1000 °C), in comparison to a Portland cement (PC) mortar. Concurrently, the effect of temperature on the mineralogy of both compositions was assessed using X-ray diffraction (XRD) analysis. The compressive strength results revealed that LC3 cement-based mortars exhibited mechanical performance equivalent to PC-based mortars after 28 days of hydration, regardless of the tested temperatures (23, 200, and 320 °C). Additionally, XRD results indicated that even with the decomposition of ettringite and AFm phases starting at 200 °C, there were no reductions in the compressive strength of LC3 systems up to 320 °C. The formation of ghelenite phase was identified in LC3 systems at temperatures above 800 °C. This study demonstrated that LC3 systems displayed mechanical behavior equivalent to PC when subjected to high temperatures. These findings offer significant contributions to the validation and potential practical application of this environmentally-friendly alternative cement.

RESUMO Este estudo teve por objetivo avaliar a resistência à compressão residual de argamassas de cimento LC3 após a exposição à elevadas temperaturas (200, 400, 600, 800 e 1000 °C), em comparação com uma argamassa de cimento Portland (CP). Paralelamente, o efeito da temperatura na mineralogia de ambas as composições foi avaliado através da técnica de difração de raios-X (DRX). Os resultados de resistência à compressão revelaram que as argamassas à base de cimento LC3 apresentaram um desempenho mecânico equivalente ao das argamassas à base de CP após 28 dias de hidratação, independentemente das temperaturas testadas (23, 200 e 320 °C). Adicionalmente, os resultados de DRX indicaram que, mesmo com a decomposição da etringita e das fases AFm a partir de 200 °C, não foram observadas reduções na resistência à compressão dos sistemas LC3 para temperaturas de até 320 °C. Foi identificada a formação da fase ghelenita nos sistemas LC3 para temperaturas superiores a 800 °C. Este estudo demonstrou que os sistemas LC3 exibiram um comportamento mecânico equivalente ao CP quando submetidos a altas temperaturas. Esses resultados oferecem contribuições significativas para a validação e potencial aplicação prática desse cimento alternativo com menor impacto ambiental.

Resumo A corrosão de armaduras é a manifestação patológica mais recorrente em estruturas de concreto armado, despertando maior preocupação em regiões litorâneas devido à presença de íons cloreto. Isso posto, destaca-se a carência de dados da concentração de cloretos de concretos em condição natural de exposição, principalmente na zona de atmosfera marinha. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo avaliar os perfis de cloretos de blocos de concreto moldados com teores de substituição de sílica ativa de 5% (CP V_5SA) e 10% (CP V_10SA) quanto à massa de cimento e a relações a/agl de 0,45, 0,55 e 0,65. Os concretos permaneceram expostos em zona de atmosfera marinha por um período de 9 anos na cidade de Tramandaí, Rio Grande do Sul. Inicialmente, foram retiradas amostras pulverulentas dos blocos de concreto para posterior determinação da concentração de cloretos solúveis em água. No tocante à corrosão de armaduras, a utilização de teores de sílica ativa em percentuais de 5% e 10% é eficiente na redução do ingresso de cloretos; baixas relações a/agl apresentaram concentrações superficiais mais elevadas, em contrapartida, à medida que a profundidade em relação à superfície do concreto aumenta, há uma redução nesses teores. Além disso, o trabalho evidenciou que a redução da relação a/agl e a incorporação de sílica ativa se mostraram medidas eficazes na redução da concentração de cloretos ao longo do tempo.

Abstract Corrosion in reinforced concrete structures is the most recurrent pathological manifestation in concrete structures, causing greater concern in coastal regions due to the presence of chloride ions. That said, there is a notable lack of data on the chloride concentration of concrete in natural conditions of exposure, especially in the marine atmosphere zone. Hence, this study aimed to evaluate the chloride profiles of concrete blocks molded with silica fume contents of 5% (CP V_5SA) and 10% (CP V_10SA) in relation to cement mass and w/b ratios of 0.45, 0.55 and 0.65. The concretes remained exposed in a marine atmosphere zone for a period of 9 years in Tramandaí, Rio Grande do Sul, Brazil. Powder samples were taken from the concrete blocks for further determination of the water-soluble chloride concentration. With regards to corrosion, the use of silica fume content in percentages of 5% and 10% is efficient in reducing chloride penetration; low w/b ratios showed higher surface concentrations. However, as the depth of the concrete surface increases, there is a reduction in these contents. In addition, the study showed that the reduction of the w/b ratio and the incorporation of silica fume were effective measures in reducing the concentration of chlorides over time.

Resumo O lodo de estação de tratamento de água (ETA), principal resíduo gerado pelas atividades de potabilização da água, quando calcinado possui compostos químicos semelhantes aos encontrados nas matérias-primas cimentantes, viabilizando sua utilização como material cimentício suplementar (MCS). Este trabalho teve como objetivos: a) caracterização química e física do lodo calcinado a temperatura de 700 °C (LETAC) durante 1 hora, proveniente de uma ETA localizada em Venâncio Aires (RS); b) avaliação da influência da sua incorporação, em percentuais de 10% e 25% como MCS em pastas e em argamassas. Foram realizados ensaios microestruturais e mecânicos. Os resultados obtidos na calorimetria indicam que o resíduo apresenta efeito fíler e químico. A partir da análise termogravimétrica, verificou-se que a incorporação do lodo nas pastas de cimento promoveu um consumo de hidróxido de cálcio (redução de 40% na composição com 25% de LETAC) e consequente formação de C-S-H. Os resultados do DRX mostram que a quantidade de fases amorfas foi superior em 11% na pasta com 25% de LETAC, confirmando o desenvolvimento adicional de C-S-H. Quanto às propriedades mecânicas, não foram verificadas perdas significativas de resistência à compressão em pastas quando utilizado o resíduo em até 25% de substituição.

Abstract When sludge from water treatment plants (WTP), is calcined, it has chemical compounds similar to those found in cementing raw materials, enabling its use as supplementary cementitious material (SCM). The aims of this study are as follows: 1) chemical and physical characterisation of calcined sludge originated from a WTP located in Venâncio Aires (RS) at a temperature of 700 ° C (LETAC) for 1 hour,, 2) evaluation of the influence of its incorporation, in percentages of 10% and 25% , as SCM in pastes and mortars. Microstructural and mechanical tests were performed. The calorimetry results indicate that the waste has a filler and chemical effect. The thermogravimetric analysis showed that the incorporation of sludge in cement pastes promoted the consumption of calcium hydroxide (40% reduction in the composition with 25% of LETAC) and consequent formation of C-S-H. The results of the DRX show that the amount of amorphous phases was 11% higher in the paste with 25% of LETAC, confirming the additional development of C-S-H. Concerning the mechanical properties, no significant loss of compressive strength was observed in pastes when waste substitution of up to 25% was used.

RESUMO O desempenho de aditivos plastificantes está diretamente relacionado com as características da molécula empregada na sua fabricação e, nesse caso, varia de acordo com a sua procedência. Neste contexto, o objetivo deste estudo é avaliar o desempenho de quatro aditivos comerciais à base de policarboxilato em pastas de cimento Portland com baixas relações água/cimento. Os aditivos foram caracterizados por meio de ensaios de teor de sólidos e Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier. Já o desempenho dos aditivos nas pastas foi avaliado pelos ensaios de mini-abatimento, teor de ar incorporado, resistência à compressão aos 28 dias e termogravimetria. Para ambas as relações a/c avaliadas, os quatro aditivos apresentaram espalhamentos diferentes para um mesmo teor de sólidos utilizado. Também se constatou que diferentes tipos de aditivos ocasionaram alterações distintas nos períodos de indução, bem como, diferentes incorporações de ar, que acarretaram diferentes resistências à compressão das pastas, de maneira que a maior resistência à compressão pode ser atribuída ao menor teor de ar incorporado. Estes resultados podem ser explicados porque o desempenho do aditivo está associado ao tamanho da sua molécula, cadeias laterais, peso molecular e a adsorção da molécula nos compostos químicos do cimento. Verificando que mesmas bases químicas de aditivos (policarboxilatos) resultam em diferentes comportamentos de misturas cimentícias, ressalta-se que é de suma importância o teste prévio de compatibilidade entre o cimento Portland e o aditivo químico que será utilizado na produção da matriz cimentícia.

ABSTRACT The performance of dispersing admixtures is directly related to the characteristics of the utilized molecule and it can vary according from the original. In this context, the objective of this study is to evaluate the performance of four commercial polycarboxylate-based in Portland cement pastes with low w/c ratio. The admixtures were characterized through tests of solids content and Fourier Transform Infrared Spectroscopy. The performance of the admixtures in the pastes was evaluated by the mini-slump test, as well as by the air void content, compressive strength at 28 days and thermogravimetry. For both a / c ratios evaluated, the four additives showed different spreadings for the same solids content used. It was also found that different types of additives caused different changes in the induction periods, as well as different air incorporations, which resulted in different compressive strengths of the pastes, so that the greatest compressive strength can be attributed to the lowest content of incorporated air. These results can be explained because the performance of the additive is associated with the size of its molecule, side chains, molecular weight and the adsorption of the molecule in the chemical compounds of cement. Noting that the same chemical bases of additives (polycarboxylates) result in different behaviors of cement mixtures, it is emphasized that the prior compatibility test between Portland cement and the chemical additive that will be used in the production of the cement matrix is of paramount importance.

RESUMO A construção civil tende a exigir a otimização dos processos, com prazos de entrega reduzidos. Logo, tornase necessária a busca por alternativas que forneçam as propriedades necessárias ao concreto em períodos de tempo mais curtos. O objetivo deste trabalho é avaliar a influência de um aditivo acelerador de resistência baseado em nitrato de cálcio na resistência à compressão e em propriedades físicas de argamassas de cimento Portland, com diferentes teores de cinza volante (CV), visando analisar se a incorporação do aditivo compensaria a baixa contribuição desta adição nas resistências nas primeiras idades. Foram realizados ensaios de calorimetria isotérmica, absorção de água por capilaridade, índice de consistência e resistência à compressão em misturas com teores de aditivo de 0%, 0,33%, 0,66% e 1,00%. No que se refere ao tempo de pega final, nas amostras sem CV, o aditivo reduziu este período. Nas amostras com 40% e 60% de CV, verificou-se um aumento deste tempo. Para as resistências à compressão de 1 dia, o teor de aditivo que gerou os maiores valores foi de 1,00% para as argamassas com 0% e 40% CV, não existindo diferenças estatisticamente significativas para os sistemas com 60%. Já em idades superiores, o aditivo ocasionou reduções na resistência das amostras sem CV e aumentos proporcionais ao teor de aditivo nas amostras com 40% e 60% de CV. Constatou-se que as argamassas com aditivo e sem adição de CV apresentaram uma redução no índice de absorção por capilaridade. Já para as amostras com 40% e 60% de CV os menores índices de absorção foram obtidos nos traços sem aditivo. Portanto, é possível concluir que o aditivo avaliado nesta pesquisa acelerou as reações de hidratação, gerando um aumento nas resistências em idades iniciais, mas com um acréscimo insuficiente para compensar a queda de resistência pela incorporação de CV na composição das amostras. Levando em consideração as diferentes propriedades avaliadas, observou-se não ser possível estabelecer um teor ótimo de aditivo para cada teor de CV estabelecido. Sendo necessário avaliar qual propriedade é de maior interesse ao usuário.

ABSTRACT Civil construction tends to require the optimization of processes with reduced times. Therefore, it is necessary to search for alternatives that provide the required properties to the concrete, in shorter periods of time. The objective of this work is to evaluate the influence of a calcium nitrate based accelerator admixture on the properties of Portland cement mortars with different fly ash (FA) contents, in order to analyze the effect in the incorporation of the admixture, mainly if the accelerator is able to compensate the low strength contribution of the FA at early ages. Tests were carried out using isothermal calorimetry, water absorption by capillarity, consistency index and compressive strength in mixtures with admixture contents of 0%, 0,33%, 0,66% and 1,00%. Regarding setting time results, as excepted the admixture accelerated the final setting time. By the other hand, in the samples with 40% and 60% of FA, an increase of the final setting time was verified. For the 1-day compressive strengths, the admixture content that have generated the highest values was 1.00% for mortars with 0% and 40% FA. At higher ages, the admixtures led to reduce the compressive strength values of the samples without FA. On the other hand, in the samples with 40% and 60% of FA with the use of the accelerator higher compressive strength were identified. It was verified that the mortars with admixture and without addition of FA showed a reduction in the absorption index by capillarity. For the samples with 40% and 60% of FA, the lower absorption index was obtained in the samples without admixture. Therefore, it is possible to conclude that the admixture evaluated in this research accelerated the hydration reactions, generating an increase in the compressive strength at early ages, but with an insufficient increase to compensate the lower reactivity of the FA. Taking into account the different properties evaluated, it was not possible to establish an optimum admixture content for each FA content. It is necessary to evaluate which property is of greater interest to the user.