Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Curso de Pós-Graduação em Físico-Química / Made available in DSpace on 2012-10-15T23:08:45Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T14:51:22Z : No. of bitstreams: 1 202996.pdf: 2189710 bytes, checksum: e9fa7e0d52b584b986e96c1f2c27f36c (MD5)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Curso de Pós-Graduação em Físico-Química / Made available in DSpace on 2012-10-16T00:31:19Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T15:18:25Z : No. of bitstreams: 1 202993.pdf: 1573016 bytes, checksum: 5f78d332dfe385b0bd9f6305a5130caa (MD5)

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção. / Made available in DSpace on 2012-10-21T08:19:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 191995.pdf: 2942274 bytes, checksum: a845da5798270d13332c788d7577fa2f (MD5)

[pt] O presente trabalho tem como objetivo investigar os efeitos químicos, físicos e mecânicos de altas dosagens de escória granulada de alto forno (85 por cento) como adição em cimentos Portland. Foram feitas quatro amostras, sendo uma do cimento padrão referência conhecido como CP IND e com as dosagens de adição de escória, com 60 por cento de adição de escória (usual do mercado), 85 por cento de escória sem aditivo (branco) e 85 por cento de escória com 7,5 por cento de aditivo ativador (Metassilicato de Sódio Anidro). Os materiais foram caracterizados quanto sua composição química, área superficial e granulometria por ensaios de Fluorescência, Blaine e granulometria laser. Para investigar a formação das fases foram realizadas análises de difratometria de raios-x (DRX) e calorimetria. Finalmente, os cimentos hidratados foram ensaiados em compressão uniaxial para as idades de 1, 3, 7, 28 e 91 dias para medir a resistência à compressão na argamassa padrão de cimento pelo método de argamassa padrão, e em 1, 7 e 28 dias em concreto. O uso desse ativador garantiu a reserva alcalina, elevando a precipitação de produtos de hidratação. As misturas ativadas com 85 por cento de escória apresentaram resultados de resistência à compressão satisfatórios para cimentos Portland Classe de resistência 25 MPa. O cimento com 85 por cento de adição de escória ativado com metassilicato de sódio anidro apresentou um desempenho, na argamassa padrão de cimento, na idade de 1 dia, mais de 4 vezes superior quando comparado ao cimento com 85 por cento de adição de escória sem ativador. Esse desempenho foi diminuindo à medida que hidratação evolui, quando se esperava ao contrário, demonstrando que o percentual utilizado e a granulometria do ativador podem não ter sido a mais adequada, havendo a necessidade de um estudo mais aprofundado tanto nessa relação quanto na verificação da porosidade das misturas. / [en] The present work investigates the chemical, physical and mechanical effects of high dosages of granulated blast furnace slag (85 percent) as an addition to Portland cements. Four samples were made, one of the reference standard cement known as CP IND and with the slag addition dosages, with 60 percent slag addition (usual on the market), 85 percent slag without additive (white) and 85 percent slag with 7.5 percent activating additive (Anhydrous Sodium Metasilicate). The materials were characterized regarding their chemical composition, surface area and particle size by Fluorescence, Blaine and laser particle size tests. To investigate the formation of the phases, x-ray diffractometry (XRD) and calorimetry analyzes were carried out. Finally, the hydrated cements were tested in uniaxial compression at ages of 1, 3, 7, 28 and 91 days to measure the compressive strength in the cement paste, and at 1, 7 and 28 days in concrete. The use of this activator guaranteed the alkaline reserve, increasing the precipitation of hydration products. The mixtures activated with 85 percent slag presented satisfactory compressive strength results for Portland cements Strength Class 25 MPa. The cement with 85 percent addition of slag activated with anhydrous sodium metasilicate presented a performance, in the cement paste, at the age of 1 day, more than 4 times higher when compared to cement with 85 percents lag addition without activator. This performance decreased as hydration progressed, when the opposite was expected, demonstrating that the percentage used and the granulometry of the activator may not have been the most appropriate, with the need for a more in-depth study both in this relationship and in the verification of the porosity of the mixtures.

[pt] O sulfato de magnésio está presente em diversos rejeitos industriais e de mineração. Ele e seus derivados poderiam ser reaproveitados em várias áreas industriais, deixando de ser um rejeito para se tornar parte de um processo. Seu óxido, MgO, pode ser utilizado em algumas funções, como regulador de pH, dependendo de sua reatividade. Devido a isto sua formação deve ocorrer em temperaturas abaixo das temperaturas de decomposição do MgSO4. Assim sendo este trabalho avaliou aspectos da decomposição do MgSO4 através de dois artigos. O artigo 1 (Thermodynamics Simulations and Kinetics Modeling of the Thermal Decomposition of MgSO4.7H2O: Part 1 – Reducing Agent Effect), avaliou o efeito cinético da utilização do carbono, através de quatro diferentes agentes redutores, na decomposição térmica do MgSO4.7H2O, enquanto que o artigo 2 (Thermodynamics Simulations and Kinetics Modeling of the Thermal Decomposition of MgSO4.7H2O: Part 2 – Hydration Effect) analisou as influências da taxa de aquecimento dos ensaios e do grau de hidratação do sulfato de magnésio utilizado. Os ensaios termogravimétricos realizados ao longo destes artigos, utilizaram amostras com massa de aproximadamente 10 mg de mistura (sulfato + agente redutor) e estas misturas tiveram uma relação estequiométrica de 1:1. Os experimentos realizados no artigo 1, utilizaram como agentes redutores agentes redutores, carvão vegetal, coque verde, coque breeze e grafite. No artigo 2, os sulfatos analisados foram o anidro, o monohidratado e o heptahidratado e as taxas de aquecimento utilizadas foram de 5 K.min(-1) , 10 K.min(-1) , 15 K.min(-1) e 20 K.min(-1) . Todos os dados obtidos dos ensaios termogravimétricos foram processados através de modelagem matemática para se obter os dados cinéticos. No artigo 1 a utilização dos agentes redutores se mostrou eficiente reduzindo a energia de ativação da decomposição do sulfato de magnésio de 22,731 kJ.mol(-1) (sulfato puro) para 340,391 kJ.mol(-1) (coque verde), 196,120 kJ.mol(-1) (grafite), 191,100 kJ.mol(-1) (coque breeze) e 162,302 kJ.mol(-1) (carvão vegetal). No artigo 2, a taxa de aquecimento não se mostrou como um fator determinante para a decomposição do MgSO4, já em relação a hidratação do sulfato de magnésio, os resultados indicaram que uma pequena parcela de H2O no sistema pode influenciar positivamente a decomposição, visto que os valores de Ea médio foram de 404,5 KJ.mol(-1) (mono), 407 KJ.mol(-1) (anidro) e 433,3 KJ.mol(-1) (hepta). / [en] Magnesium sulfate is present in several industrial and mining wastes. It and its derivatives could be reused in various industrial areas, ceasing to be a waste to become part of a process. Its oxide, MgO, can be used in some functions, as a pH regulator, depending on its reactivity. Due to this, its formation must occur at temperatures below the decomposition temperatures of MgSO4. Therefore, this work evaluated aspects of the decomposition of MgSO4 through two articles. Article 1 (Thermodynamics Simulations and Kinetics Modeling of the Thermal Decomposition of MgSO4.7H2O: Part 1 – Reducing Agent Effect), evaluated the kinetic effect of using carbon, through four different reducing agents, on the thermal decomposition of MgSO4.7H2O, while article 2 (Thermodynamics Simulations and Kinetics Modeling of the Thermal Decomposition of MgSO4.7H2O: Part 2 – Hydration Effect) analyzed the influences of the heating rate of the tests and the degree of hydration of the magnesium sulfate used. The thermogravimetric tests carried out throughout these articles used samples with a mass of approximately 10 mg of the mixture (sulfate + reducing agent) and these mixtures had a stoichiometric ratio of 1:1. The experiments carried out in article 1 used reducing agents, charcoal, green coke, breeze coke, and graphite as reducing agents. In article 2, the sulfates analyzed were anhydrous, monohydrate, and heptahydrate and the heating rates used were 5 K.min(-1) , 10 K.min(-1) , 15 K.min(-1) , and 20 K.min(-1). All data obtained from thermogravimetric tests were processed through mathematical modeling to obtain kinetic data. In article 1, the use of reducing agents proved efficient, reducing the activation energy of magnesium sulfate decomposition from 22.731 kJ.mol(-1) (pure sulfate) to 340.391 kJ.mol(-1) (green coke), 196.120 kJ.mol(-1) (graphite), 191,100 kJ.mol(-1) (coke breeze) and 162,302 kJ.mol(-1) (charcoal). In article 2, the heating rate was not shown to be a determining factor for the decomposition of MgSO4, in relation to the hydration of magnesium sulfate, the results indicated that a small portion of H2O in the system can positively influence the decomposition since the average Ea values were 404.5 KJ.mol(-1) (mono), 407 KJ.mol(-1) (anhydrous) and 433.3 KJ.mol(-1) (hepta).

[pt] O presente estudo busca definir uma relação de mistura estável utilizando aditivos poliméricos à base de álcool polivinílico (PVOH) para controlar a perda de filtrado, antiespumante e dispersante, caracterizando a influência de cada adição na cinética de hidratação, propriedades mecânicas, físicas e reologia da mistura. Além disso, foi caracterizado o comportamento das pastas de cimento em condições de cura que simulam a situação do poço até 6100 m de profundidade, seguindo as recomendações da API, e o comportamento do material nos estados in situ, utilizando pressões confinantes para realizar os ensaios de compressão. Por fim, propôs-se a inclusão de microfibras de álcool polivinílico (PVA) para melhorar o desempenho mecânico das pastas cimentícias, avaliando diferentes tipos de carregamento e definindo os impactos da adição de fibras na viscosidade e tixotropia das misturas. Verificou-se que o uso de PVOH como aditivo de perda de filtrado não influencia na cinética de hidratação para concentrações de até 0,4% em peso de cimento, mas à medida que a quantidade de PVOH é aumentada na mistura, o processo de hidratação da pasta de cimento pode ser modificado por causa do mecanismo de absorção do PVOH. Além disso, novas fases de produtos de hidratação aparecem com o aumento da temperatura e pressão de cura: dellaite, hydroxyellestadite e alpha-C2SH. A última fase (alpha-C2SH) está relacionada à perda de capacidade de resistência das amostras curadas a 149°C, simulando o caso do poço de petróleo de 6100 m de profundidade. Para os ensaios triaxiais, a pressão de confinamento conferiu às amostras um comportamento diferente do caso uniaxial, implicando em uma considerável melhora da plasticidade no comportamento tensão-deformação. Embora se observe algum reforço por atrito devido a tensões de cisalhamento no plano das fissuras, o efeito mais importante do confinamento é suportar a deformação dúctil, mesmo para o caso da pasta de cimento reforçada com fibra de PVA. Finalmente, o estudo mostrou que as fibras de PVA conferem um leve aumento da viscosidade da pasta de cimento, uma fase plástica prolongada aparentemente sem perda de capacidade de carga em testes triaxiais e uma capacidade aprimorada de absorver energia ao avaliar cargas de tração e cisalhamento. / [en] The present study seeks to define a stable mixing ratio using powder Polyvinyl Alcohol (PVOH) based polymeric additives to control the loss of filtrate, defoamer, and dispersant, characterizing the influence of each addition on hydration kinetics, mechanical and physical properties, and rheology of the mix. The behavior of cement pastes under curing conditions that simulate the wellbore situation up to 6100 m depth was also evaluated, following API recommendations. Moreover, the behavior of the material under in situ states, using confining pressures to perform the compression tests, was characterized. Finally, the inclusion of Polyvinyl Alcohol (PVA) microfibers is proposed to improve the mechanical performance of cement pastes, evaluating different types of loading and defining the impacts of the fiber addition on the viscosity and thixotropy of the mixtures. It was found that the use of PVOH as a fluid loss additive does not influence hydration kinetics for concentrations up to 0.4% by weight of cement, but as the amount of PVOH is increased in the mixture, the hydration process of the cement paste may be modified because of the PVOH absorptive mechanism. Moreover, new hydration products phases appear with increasing curing temperature and pressure: dellaite, hydroxyellestadite, and alpha-C2SH. The last phase (alpha-C2SH) is related to the loss of strength capacity of the samples cured at 149°C, simulating a 6100 m depth wellbore. For the triaxial tests, the confining pressure gave the samples a behavior markedly different from the uniaxial case, implying a considerable improvement in the plasticity of the stress-strain behavior. Although some frictional reinforcement is observed due to shear stresses in the cracks surface, the most important effect of confinement is to withstand ductile deformation, even in the case of PVA fiber-reinforced cement paste. Finally, the study has shown that PVA fibers impart a slight viscosifying effect on the cement slurry, a prolonged plastic phase with apparently no loss of load-carrying capacity in triaxial tests, and an improved ability to absorb energy when evaluating tensile and shear loads.