Dissertação apresentada ao programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais. / The search for new forms to reduce and treat industrial and municipal waste has led to a series of discussions and strategies that focus on the supply chain, which are fundamental for reducing the environmental impacts. This continues to open up an enormous, new field of research, leading to a series of studies concerning the reuse and addition of these residues within the industrial process. The ceramic residues originating from porcelain tile polishing residues (PPR) are no different; they produce a high quantity of effluent that requires water treatment and disposal of the solid part in controlled landfills, involving high financial and environmental costs. In this work, the synergistic effect or caking of PPR as a supplementary cementitious material (SCM) was evaluated; PPR enhanced the effect of Portland cement in cementitious materials. To determine the physical and chemical characteristics of PPR, laser granulometry, X-ray fluorescence (XRF) and atomic absorption and by X-ray diffraction (XRD) assays were performed. To study mixture parameters, six 1:3 mortar compositions were used, with the cement content replaced by residues of 0, 10, 20, 25, 30 and 40%, by mass, which were then evaluated by the following tests: workability (flowtable), compressive strength, pozzolanic activity index (IAP), thermal analysis (TG), calorimetry, and qualitatively by scanning electron microscopy (SEM). Analysis of the results showed that the residue maintains the plasticity characteristic of mortars and has a high index of pozzolanic activity, reaching 111% with the use of 25% residue content, while obtaining a compressive strength (after 120 days of curing) of 40.0 MPa and 41.5 MPa for 0% and 25% PPR content, respectively. These results improve the efficiency ratio of cement consumption, measured in kg m-3 MPa -1, reducing it by around 30%. The residue was also evaluated regarding autogenous shrinkage, which showed that the addition of PPR, besides increasing the time of onset of the contractions, also showed a reduction in shrinkage of 37% for 25% PPR and 82% for 40% PPR content. The study presents the potential and feasibility of using waste products based on Portland cement; however, since the material possesses such noble physical characteristics, further study is required to expand its applications on an industrial and commercial scale. / A busca por novas formas de redução e tratamento dos resíduos industriais e urbanos tem levado a uma série de discussões e estratégias que incidem sobre a cadeia produtiva, sendo fundamental para a redução dos impactos ambientais. Isso abre um campo enorme e novo para pesquisa, levando a uma série de estudos relacionados à reutilização e adição destes dentro do processo industrial. O resíduo cerâmico originado no processo de polimento das placas de porcelanato não é diferente, é um efluente necessitando de tratamento das águas e deposição da parte sólida em aterros controlados com um elevado custo financeiro e ambiental. Neste trabalho foi avaliado o resíduo do polimento de porcelanato (RPP) como material cimentício suplementar (SCM), potencializando o efeito do cimento Portland em materiais cimentícios. Para caracterizar física e quimicamente o RPP, foram realizados ensaios de granulometria a laser, fluorescência de raios-X (FRX) e absorção atômica e difração por raios X (DRX). Para estudo da mistura, foram utilizadas seis composições de argamassa, de traço 1:3:0,60 substituindo o cimento por resíduo em teores de 0, 10, 20, 25, 30 e 40% em massa, sendo avaliadas por meio de ensaios de índice de consistência (flow-table), resistência a compressão, índice de atividade pozolânica (IAP), analise térmica (TG), Calorimetria e de forma qualitativa, a microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados mostram que o resíduo mantém a consistência das argamassas e apresenta elevado índice de atividade pozolânica, atingindo 85% aos 28 dias e 104% aos 120 dias de cura, utilizando 25% de resíduo, e, obtendo, uma resistência a compressão (aos 120 dias de cura) de 40,0 MPa e 41,5 MPa para 0% e 25% de utilização de RPP, respectivamente. Esses resultados melhoram o índice de eficiência de consumo de cimento, avaliado em kg m-3 MPa -1, reduzindo-o em torno de 30%. O resíduo também foi avaliado perante a retração autógena, mostrando que a adição deste, além de aumentar o tempo para o início das contrações, há uma redução da retração autógena, chegando a 37% para 25% e 82% para o teor de 40% de RPP. O estudo apresentou o potencial e a viabilidade do uso do rejeito em produtos à base de cimento Portland, mas necessita de mais estudos que possam ampliar sua aplicação em escala industrial e comercial.

Fibras vegetais de baixo módulo de elasticidade são conhecidas pela sua capacidade de aumentar a energia absorvida durante o carregamento dos materiais cimentícios, especialmente no estágio pós-fissurado. A utilização de nanofibras celulósicas pode contribuir para a tenacificação de matrizes frágeis, tanto por melhorar o empacotamento das partículas, com o refinamento de poros, quanto pela interceptação de fissuras na escala nanométrica, com a respectiva absorção de energia. A celulose nanofibrilada provém de um recurso natural, abundante e renovável, possui bom desempenho mecânico e superfície específica elevada, o que contribui para melhorar a adesão entre as partículas de cimento. Estes fatores justificam o uso da celulose nanofibrilada e a tornam uma boa alternativa como nanoreforço de materiais cimentícios. Com isso, o objetivo deste trabalho foi a produção de celulose nanofibrilada a partir de polpa organossolve de bambu, definindo a melhor condição para sua produção e posterior utilização como reforço em compósitos híbridos (reforçados na nano e micro escalas) em comparação a compósitos reforçados somente com microfibras (polpa) pelos processos de produção por sucção e prensagem, e extrusão. A celulose nanofibrilada foi produzida utilizando-se polpa não-branqueada e branqueada, por meio de 5, 10, 15 e 20 ciclos de nanofibrilação pelo processo grinding. Foram realizados testes químicos, físicos e mecânicos para definição da condição ótima de nanofibrilação. A celulose nanofibrilada não-branqueada produzida mediante 10 ciclos foi definida como a melhor opção para utilização nos compósitos híbridos, por possuírem maior módulo de elasticidade e, em razão da sua maior estabilidade estrutural, apresentam maior resistência à degradação em meio alcalino. Os compósitos foram submetidos à cura por carbonatação acelerada para mitigação da degradação da fibra pela diminuição do pH da matriz e também para refinamento dos poros. Os compósitos foram submetidos ao teste de envelhecimento acelerado por meio de 200 ciclos de imersão e secagem para análise da sua degradação. Os compósitos híbridos e reforçados somente com polpa aos 28 dias de cura e após o envelhecimento acelerado foram submetidos aos ensaios físicos, mecânicos e microestruturais para acompanhamento do efeito da celulose nanofibrilada nas suas propriedades. Nos compósitos produzidos pelos dois processos aos 28 dias não houve diferença estatística para as propriedades físicas testadas, comparando-se os compósitos híbridos e os reforçados somente com polpa. No processo de sucção e prensagem, embora útil para ajustes na formulação e na cura do compósito híbrido, não se percebeu contribuição estatisticamente significativa da celulose nanofibrilada na formação de pontes de transferência de tensões, e, portanto sem o correspondente aumento na resistência mecânica dos compósitos. Nos compósitos extrudados, a celulose nanofibrilada atuou de modo a melhorar o comportamento mecânico do compósito híbrido em comparação ao compósito sem nanofibras. Esta melhoria pode estar associada à maior adesão entre as nanofibrilas e a matriz cimentícia, o que foi atestado pela análise microestrutural (MEV) dos compósitos. Após o envelhecimento acelerado os compósitos com e sem nanofibras produzidos pelos dois processos não apresentaram redução do desempenho mecânico, o que se atribui à menor alcalinidade provida pela carbonatação acelerada. / Low elastic modulus vegetable fibers are known for their ability to increase the energy absorbed by cement based materials while they are loaded, especially during the post-crack stage. The use of cellulose nanofibers may contribute for toughening of brittle matrices and improving particle packing by both pore refining and crack intercepting at nanoscale, with the corresponding energy absorption. Nanofibrillated cellulose comes from a natural, abundant and renewable resources, it has good mechanical peformance and high specific surface, which contributes to improve the adhesion between the cement particles. These factors justify the use of nanofibrillated cellulose and give rise to an alternative nanoreinforcement for cement based materials. Thus, the aim of this work was the production of the nanofibrillated cellulose from bamboo organosolv pulp, establishing the best condition for its production and subsequent use as reinforcement in hybrid composites (both nano and micro-scale reinforcement) compared to composites reinforced with only microfibers (pulp), produced by the slurry vacuum dewatering followed by pressing and extrusion methods. The nanofibrillated cellulose was produced submitting unbleached and bleached pulps to 5, 10, 15 and 20 nanofibrillated cycles by the grinding method. Chemical, physical and mechanical tests were carried out to define the optimal condition to nanofibrillation. The unbleached nanofibrillated cellulose produced by 10 cycles was defined as the best option to be used in hybrid composites, since their greater modulus of elasticity and, because of their greater structural chemical stability, higher resistance to degradation in alkaline environments. The composites were subjected to accelerated carbonation curing process to mitigate thedegradation of fiber by reducing the matrix pH and also to refine the pores. The composites were subjected to accelerated aging process by means of 200 wet and dry cycles to assess their degradation. The hybrid composites and the composites reinforced only with pulp at 28 days and after accelerated aging were subjected to physico-mechanical and microstructural tests to study the effect of the nanofibrillated cellulose on their properties. There was no difference in the physical properties of the hybrid composites and composites reinforced with only pulp, produced by the two processes at 28 days. For the slurry vacuum dewatering followed by pressing process, although useful for adjustments in the formulation and cure hybrid composite, there was no statistically significant contribution of the nanofibrillated cellulose in the formation of stress transfer bridges, and therefore without a corresponding increase in the mechanical strength of the composites. For the extruded composites, the nanofibrillated cellulose improved the mechanical behavior of the hybrid composite compared to the composite without nanofiber. This improvement may be associated with greater adherence between the nanofibrils and the cement matrix, which was confirmed by microstructural analysis (SEM) of the composites. After accelerated aging, the composites with and without nanofibers produced by the two processes showed no reduction in mechanical performance, which is attributed to the lower alkalinity provided by the accelerated carbonation.

Fibras vegetais de baixo módulo de elasticidade são conhecidas pela sua capacidade de aumentar a energia absorvida durante o carregamento dos materiais cimentícios, especialmente no estágio pós-fissurado. A utilização de nanofibras celulósicas pode contribuir para a tenacificação de matrizes frágeis, tanto por melhorar o empacotamento das partículas, com o refinamento de poros, quanto pela interceptação de fissuras na escala nanométrica, com a respectiva absorção de energia. A celulose nanofibrilada provém de um recurso natural, abundante e renovável, possui bom desempenho mecânico e superfície específica elevada, o que contribui para melhorar a adesão entre as partículas de cimento. Estes fatores justificam o uso da celulose nanofibrilada e a tornam uma boa alternativa como nanoreforço de materiais cimentícios. Com isso, o objetivo deste trabalho foi a produção de celulose nanofibrilada a partir de polpa organossolve de bambu, definindo a melhor condição para sua produção e posterior utilização como reforço em compósitos híbridos (reforçados na nano e micro escalas) em comparação a compósitos reforçados somente com microfibras (polpa) pelos processos de produção por sucção e prensagem, e extrusão. A celulose nanofibrilada foi produzida utilizando-se polpa não-branqueada e branqueada, por meio de 5, 10, 15 e 20 ciclos de nanofibrilação pelo processo grinding. Foram realizados testes químicos, físicos e mecânicos para definição da condição ótima de nanofibrilação. A celulose nanofibrilada não-branqueada produzida mediante 10 ciclos foi definida como a melhor opção para utilização nos compósitos híbridos, por possuírem maior módulo de elasticidade e, em razão da sua maior estabilidade estrutural, apresentam maior resistência à degradação em meio alcalino. Os compósitos foram submetidos à cura por carbonatação acelerada para mitigação da degradação da fibra pela diminuição do pH da matriz e também para refinamento dos poros. Os compósitos foram submetidos ao teste de envelhecimento acelerado por meio de 200 ciclos de imersão e secagem para análise da sua degradação. Os compósitos híbridos e reforçados somente com polpa aos 28 dias de cura e após o envelhecimento acelerado foram submetidos aos ensaios físicos, mecânicos e microestruturais para acompanhamento do efeito da celulose nanofibrilada nas suas propriedades. Nos compósitos produzidos pelos dois processos aos 28 dias não houve diferença estatística para as propriedades físicas testadas, comparando-se os compósitos híbridos e os reforçados somente com polpa. No processo de sucção e prensagem, embora útil para ajustes na formulação e na cura do compósito híbrido, não se percebeu contribuição estatisticamente significativa da celulose nanofibrilada na formação de pontes de transferência de tensões, e, portanto sem o correspondente aumento na resistência mecânica dos compósitos. Nos compósitos extrudados, a celulose nanofibrilada atuou de modo a melhorar o comportamento mecânico do compósito híbrido em comparação ao compósito sem nanofibras. Esta melhoria pode estar associada à maior adesão entre as nanofibrilas e a matriz cimentícia, o que foi atestado pela análise microestrutural (MEV) dos compósitos. Após o envelhecimento acelerado os compósitos com e sem nanofibras produzidos pelos dois processos não apresentaram redução do desempenho mecânico, o que se atribui à menor alcalinidade provida pela carbonatação acelerada. / Low elastic modulus vegetable fibers are known for their ability to increase the energy absorbed by cement based materials while they are loaded, especially during the post-crack stage. The use of cellulose nanofibers may contribute for toughening of brittle matrices and improving particle packing by both pore refining and crack intercepting at nanoscale, with the corresponding energy absorption. Nanofibrillated cellulose comes from a natural, abundant and renewable resources, it has good mechanical peformance and high specific surface, which contributes to improve the adhesion between the cement particles. These factors justify the use of nanofibrillated cellulose and give rise to an alternative nanoreinforcement for cement based materials. Thus, the aim of this work was the production of the nanofibrillated cellulose from bamboo organosolv pulp, establishing the best condition for its production and subsequent use as reinforcement in hybrid composites (both nano and micro-scale reinforcement) compared to composites reinforced with only microfibers (pulp), produced by the slurry vacuum dewatering followed by pressing and extrusion methods. The nanofibrillated cellulose was produced submitting unbleached and bleached pulps to 5, 10, 15 and 20 nanofibrillated cycles by the grinding method. Chemical, physical and mechanical tests were carried out to define the optimal condition to nanofibrillation. The unbleached nanofibrillated cellulose produced by 10 cycles was defined as the best option to be used in hybrid composites, since their greater modulus of elasticity and, because of their greater structural chemical stability, higher resistance to degradation in alkaline environments. The composites were subjected to accelerated carbonation curing process to mitigate thedegradation of fiber by reducing the matrix pH and also to refine the pores. The composites were subjected to accelerated aging process by means of 200 wet and dry cycles to assess their degradation. The hybrid composites and the composites reinforced only with pulp at 28 days and after accelerated aging were subjected to physico-mechanical and microstructural tests to study the effect of the nanofibrillated cellulose on their properties. There was no difference in the physical properties of the hybrid composites and composites reinforced with only pulp, produced by the two processes at 28 days. For the slurry vacuum dewatering followed by pressing process, although useful for adjustments in the formulation and cure hybrid composite, there was no statistically significant contribution of the nanofibrillated cellulose in the formation of stress transfer bridges, and therefore without a corresponding increase in the mechanical strength of the composites. For the extruded composites, the nanofibrillated cellulose improved the mechanical behavior of the hybrid composite compared to the composite without nanofiber. This improvement may be associated with greater adherence between the nanofibrils and the cement matrix, which was confirmed by microstructural analysis (SEM) of the composites. After accelerated aging, the composites with and without nanofibers produced by the two processes showed no reduction in mechanical performance, which is attributed to the lower alkalinity provided by the accelerated carbonation.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2017-06-20T12:30:42Z No. of bitstreams: 1 Moisés Mário Cachepa_.pdf: 3004067 bytes, checksum: 24c7ce290fa414a34e3454c918c0403c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-20T12:30:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moisés Mário Cachepa_.pdf: 3004067 bytes, checksum: 24c7ce290fa414a34e3454c918c0403c (MD5) Previous issue date: 2017-05-22 / CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O uso de adições minerais, como as pozolanas, tem sido adotado como adição ou substituição parcial do cimento, fundamentalmente na produção de concretos, com intuito de melhorar algumas das características, tais como redução de calor de hidratação, melhoria da trabalhabilidade, aumento da resistência à compressão, aumento da durabilidade em meios agressivos, redução da emissão de CO2, redução do aparecimento de eflorescência. Um sério problema de durabilidade é a reação álcali-agregado (RAA), que é um fenômeno que em geral se manifestam em estruturas de concreto massa, como barragens. A RAA é entendida como sendo um processo químico que ocorre em concreto, em que alguns constituintes mineralógicos presentes no agregado reagem com íons alcalinos, provenientes de hidróxidos originados na hidratação do cimento que estão dissolvidos na solução dos poros, formando um gel higroscópico expansivo. Este trabalho teve como objetivo avaliar a mitigação da reação álcali-agregado em concreto mediante o emprego de resíduos da cerâmica vermelha (RCV) e metacaulim (MK) como pozolanas. O RCV foi adquirido como resíduo de indústria da produção de blocos cerâmicos, enquanto que o MK é um produto comercializado, sabidamente mitigador da RAA e, geralmente, com elevada atividade pozolânica. Para se alcançar o objetivo, foram analisadas as características físicas, químicas, mineralógicas do RCV e do MK, e determinou-se o índice da atividade pozolânica. Tanto o RCV como o MK apresentaram índice de atividade pozolânica superior a 90%. O agregado utilizado foi classificado como potencialmente reativo por meio de análise de petrografia e do método acelerado de barras de argamassa. Para avaliação da eficiência das adições minerais na mitigação da RAA, empregou-se o método acelerado de barras de argamassa. As pozolanas isoladas e combinadas foram empregadas em teores de substituição de cimento de 20% e 30%. Avaliou-se também resistência à compressão e absorção capilar de água em 48h e 28 dias, submetidos à solução saturada de em Ca(OH)2; e em 28 dias de imersão em solução de NaOH. Com os resultados de expansão, foi possível verificar que todos os materiais e teores propostos promoveram uma mitigação da RAA em relação às amostras confeccionadas somente com cimento, com valores de expansão inferiores a 0,10%. Para os aglomerantes estudados, foi possível verificar que entre as pozolanas, quanto menor o equivalente alcalino, menores são as expansões. No entanto, as misturas somente com MK apresentam valores de equivalente alcalino similares ao cimento e as expansões são significativamente reduzidas. Para uma mesma relação Ca/Si dos aglomerantes, quanto maior for o teor de RCV menor é a expansão. Quando se avalia o teor de alumina dos aglomerantes, percebe-se que aqueles que contém MK apresentam o maior teor, mas, no entanto, não retornam as menores expansões, o que se explica pela sua maior dimensão média equivalente, em relação aos aglomerantes que contém RCV. A menor dimensão das partículas de RCV parecem aumentar o efeito mitigador que o teor de Al possui, pois a superfície de dissolução destas partículas é maior. A comparação dos resultados da resistência à compressão e absorção de água antes de iniciar o ensaio acelerado e após, bem como a comparação com as argamassas aos 28 dias que não sofreram ataques ajudam a enteder o comportamento das pozolanas na mitigação da RAA. / The use of mineral additions through pozzolans, both naturally and artificially, has been adopted by several civil engineering professionals through the partial substitution of cement primarily in the production of concrete slabs, with the aim of improving some of the characteristics such as: Reduction of the heat of hydration, improvement of the workability, increase of the resistance to compressive strength, increase of the durability in aggressive environments, reduction of the emission of CO2, reduction of the appearance of efflorescence and reduction of the expansions due to the alkali-aggregate reactions. One of the pathologies that greatly affects mass concrete structures such as dams is the alkali-aggregate reaction, which is understood to be a chemical process occurring in concrete, in which some mineralogical constituents present in the aggregate react with hydroxides from the cement that are dissolved In the solution of the pores forming an expansive hygroscopic gel. The elaboration of this work, on the one hand, was motivated by the fact that one of the main dams in Africa located in Mozambique, shows signs of expansion according to several authors and, on the other hand, as a way of evaluating the Pozolan potential of RCV and MK. This work aimed to evaluate the mitigation of the alkali-aggregate reaction in concrete through the use of residues of red ceramics and metakaolin as pozzolans. The RCV was purchased as a waste from the production of ceramic blocks, while the MK was from a commercial product. In order to reach the objective, the RCV and MK underwent an investigation taking into account physical, chemical, mineralogical characteristics and the determination of the index of the pozzolanic activity. Both RCV and MK had pozzolanic activity index higher than the 90% established by NBR 12653 (2014). The aggregate used was classified as potentially reactive through analyzes of petrography, DRX, FRX and accelerated method of mortar bars. For the evaluation of RAA, samples were prepared and analyzes of aggregate reactivity and mineral additions efficiency were performed using the accelerated method of mortar bars, compressive strength and water capillary absorption in a substitution of 20% and 30% of cement by RCV, MK and RCV + MK, in the following curing ages: 48h, 28 days in Ca (OH) 2 and 28 days of immersion in NaOH solution. By the expansion results, it was possible to verify that all materials and cement substitution contents by pozzolans proposed had a reduction of less than 0.10% recommended by ASTM C1567 (2013), classified as insufficient to cause deleterious reactions due to potential Pozolânico of the MK and RCV. It was possible to verify that the higher the alkaline equivalent, the larger the expansions, the smaller the Ca / Si ratio, the smaller the expansions, the higher the alumina content, the smaller the expansions, the smaller the average equivalent size Of the particles, the smaller the expansions, and the larger the total porosity, the larger the expansions. The results of the compressive strength and water absorption showed that the mixtures submitted to the accelerated test presented worse performance in relation to the cured mixtures in Ca (OH) 2 due to the microstructure of the mortars, creating internal microcracks, or because the formed gel permeable to water penetration.