The use of mineral additions and substitutions in concrete production is highly beneficial to society. When used as substitutes for cement, they provide an alternative destination to polluting waste while contributing to reducing the power consumption and air pollution associated with cement production. This study investigated the influence of different concentrations of additions and curing periods of concrete mixes with water treatment plant sludge ash (CLETA), rice husk ash (CCA) and blast furnace slag (EAF) on total shrinkage and chloride penetration in concrete prepared with high early strength Portland cement. Ten mixes with water/binder ratios of 0.35, 0.50 and 0.65, with wet cure periods of 3 and 7 days were tested. CLETA substitutions for Portland cement ranged from 0% to 30%. Three-component mixes with 20% CLETA and 5% EAF, 20% CLETA and 10% EAF and a four-component mix with 15% CLETA, 5% EAF and 5% CCA were also tested. Shrinkage was measured using a length comparator at 0, 7, 14, 21, 28, 35, 56, 91, 182 and 365 days after removing the sample from the controlled humidity chamber. After 91 days of drying, samples were tested for chloride penetration to check chloride penetration depths in shrinking test samples. Results indicate that even though shrinkage values at 3 days are slightly higher, no significant variation was found for different curing periods. The lowest shrinkage value was found in the reference sample for all tested periods and in the two curing periods. Next, in an increasing shrinkage values, came the following samples: 5%CLETA (5 L), 10% CLETA (10 L), 15% CLETA (15 L), which displayed, for most mixes, a similar behavior to that of 10% CLETA (10 L), followed by mixes 20% CLETA (20 L), 25 %CLETA (20 L) and 30% CLETA (30 L). Chloride penetration resistance increased when the curing time was increased from 3 to 7 days. Three- and four-component mixes showed improved performance when compared to binary samples with CLETA and Portland cement. / O uso de adições minerais e de substituições destas no processo de produção do concreto traz grande benefício à sociedade, por dar um destino a resíduos poluentes e, principalmente, por reduzir o consumo de energia e a poluição do ar gerados pela produção do cimento, ao substituir grande parte desse produto na indústria da construção civil. Neste estudo, investigou-se a influência do teor e do período de cura na utilização de misturas contendo diferentes teores de cinza de lodo de ETA (CLETA), cinza de casca de arroz (CCA) e escória de alto forno (EAF), frente à retração total e à penetração de cloretos de concretos com cimento Portland de alta resistência inicial. Para isso, foram testadas dez misturas aglomerantes, nas relações água/aglomerante 0,35, 0,50 e 0,65, com períodos de cura úmida de 3 e 7 dias. As substituições do cimento Portland por CLETA variaram de 0% a 30%, havendo ainda misturas ternárias, 20% CLETA e 5% EAF, 20% CLETA e 10% EAF, e quaternária, 15% CLETA, 5% EAF e 5% CCA. As leituras de retração foram realizadas com o uso do comparador de expansibilidade nas idades de ensaio, 0, 7, 14, 21, 28, 35, 56, 91, 182 e 365 dias após a retirada da câmara úmida. Após o período de 91 dias de secagem, foi realizado o ensaio de penetração de cloretos por imersão, a fim de analisar a profundidade de penetração de cloretos em corpos de prova em estado de retração. Dos resultados obtidos, constatou-se que, de maneira geral, embora tenham sido observados valores de retração pouco maiores para a cura de 3 dias, não foi constatada variação pronunciada entre os prazos de cura. De todas as misturas investigadas, a que apresentou menor valor de retração foi a de referência, em todas as idades de ensaio e nos dois períodos de cura. Seguido desta, em ordem crescente de retração, vem 5%CLETA (5 L), 10% CLETA (10 L), 15% CLETA (15 L), que tiveram na maioria das misturas um comportamento similar ao de 10% CLETA (10 L), seguido das misturas 20% CLETA (20 L), 25 %CLETA (20 L) e 30% CLETA (30 L). No que diz respeito à penetração de íons cloreto, houve um aumento na resistência quando o tempo de cura passou de 3 para 7 dias. Constatou-se que as misturas ternárias e quaternárias apresentam melhores desempenhos quando comparadas às misturas binárias, compostas por CLETA e cimento Portland.

Carbonation is a natural phenomenon for concrete structures and occurs due to the reaction between CO2, which is concentrated in the environment, and Ca(OH)2, which is present in the cementitious matrix. Carbonation reaction reduces the pH of the concrete and causes the destruction of the passivation layer, which surrounds the steel armor, leaving it vulnerable to the process of corrosion. In this study, was investigated the performance against the carbonation of concrete with the addition of water treatment plant sludge ashes, in concentrations of 5%, 10%, 15%, 20%, 25% and 30% replacing Portland cement, as well as a reference blend without mineral admixtures. All mixtures were molded with three w/b ratios (0.35; 0.50 and 0.65) and with two periods of wet cure (three and seven days). Concrete specimens underwent preconditioning according to RILEM TC 116-PCD, targeting the moisture balance (75% ± 2%) in an aerial environment with constant temperature (23° C ± 2° C) and uniform moisture distribution. Afterwards, specimens were forwarded to a carbonation chamber, with humidity (75 ± 2%), temperature (23°C ± 2° C) and CO2 concentration (3%) duly regulated. Specimens were tested after 4, 8, 12 and 16 weeks of CO2 exposure through phenolphthalein spraying, the depths of carbonation is obtained and, therefore, the carbonation coefficients. Results revealed that the incorporation of water treatment plant sludge ashes into concrete leads to increases in its carbonation, in all mixtures investigated. Comparisons with the results for Porosimetry by Mercury Intrusion and Thermogravimetry enable attribute this effect to the microstructural change and decrease of alkalinity of the mixture with addition of sludge ash. Through an analysis of equal resistance, it was found that concrete with addition of sludge ash water treatment are feasible, from the point of view of carbonation's lifespan, only to higher strength levels. / A carbonatação é um fenômeno natural às estruturas de concreto, ocorrendo pela reação entre o CO2, concentrado no ambiente, e o Ca(OH)2, presente na matriz cimentícea. A reação de carbonatação provoca a redução do pH do concreto, causando a destruição da camada passivadora, que envolve a armadura de aço, deixando esta vulnerável ao processo de corrosão. Nesta pesquisa, foi investigado o desempenho, frente à carbonatação, de concretos com adição de cinzas de lodo de estação de tratamento de água, nos teores de 5%, 10%, 15%, 20%, 25% e 30% em substituição ao cimento Portland, bem como uma mistura de referência, sem adições minerais. Todas as misturas foram moldadas com três relações a/agl (0,35; 0,50 e 0,65) e com dois períodos de cura úmida (três e sete dias). Os corpos-de-prova de concreto foram submetidos à um pré-condicionamento, conforme procedimentos sugeridos pela norma RILEM TC 116-PCD, visando o equilíbrio de umidade (75% ± 2%) em um ambiente aéreo com temperatura constante (23°C ± 2°C) e distribuição uniforme de umidade. Posteriormente os corpos-de-prova foram encaminhados para uma câmara de carbonatação, com umidade (75% ± 2%), temperatura (23°C ± 2°C) e concentração de CO2 (3%) devidamente reguladas. Os corpos-de-prova foram ensaiados após 4, 8, 12 e 16 semanas de exposição ao CO2, por meio de aspersão de fenolftaleína, sendo obtidas as profundidades de carbonatação e, com isso, os coeficientes de carbonatação. Os resultados demonstraram que a incorporação de cinzas de lodo de estação de tratamento de água ao concreto acarreta no aumento da carbonatação nos mesmos, para todas as misturas investigadas. Comparações com resultados de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio e Termogravimetria permitiram atribuir este efeito às alterações microestruturais e a diminuição da reserva alcalina das misturas com adição de cinzas de lodo. Através de uma análise em igualdade de resistência, constatou-se que os concretos com adição de cinzas de lodo de estação de tratamento de água são viáveis, do ponto de vista da vida útil frente à carbonatação, apenas para níveis de resistência mecânica mais altos.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2016-10-03T11:31:01Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Plínio Ferreira Pires - 2016.pdf: 6131513 bytes, checksum: 8fa6643740293050fba973c250df0e54 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2016-10-03T11:31:21Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Plínio Ferreira Pires - 2016.pdf: 6131513 bytes, checksum: 8fa6643740293050fba973c250df0e54 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-03T11:31:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Plínio Ferreira Pires - 2016.pdf: 6131513 bytes, checksum: 8fa6643740293050fba973c250df0e54 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-07-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The carbonation phenomenon consists in a physicochemical process which reduces the alkalinity of concrete. Carbonation can destabilize the protective layer of the steel, leaving it susceptible to corrosion, which is one of the most significant and costly causes of deterioration in reinforced concrete. Accordingly, chemical analysis of the pore solution has been held for about 60 years, but few studies are focused on types of concrete containing mineral additions subjected to carbonation, due to the difficulty of obtaining the pore solution, given its structure densification under these conditions. Depending on the concrete composition, the natural carbonation process can take several years to present sufficient analyzable data, therefore, most of the studies on this topic use accelerated tests to simulate this phenomenon. However, even with full control of the laboratory environment, it is not possible to reproduce the randomness of the variables responsible for the degradation that occur in real situations. This study aims to evaluate the process of natural carbonation in 36 different types of concrete or analysis conditions, which cover a wide range of characteristics and properties of concrete that represent the various service situations of the structures, after about 14 years of exposure, in typical urban environment. The results are presented for types of concrete with and without mineral additions (silica fume, rice husk ash, metakaolin, fly ash and blast furnace slag); three water/binder (0.40, 0.55 and 0.70) and two curing conditions (dry-cured and moist-cured). The study was conducted by the application of simplified models of carbonation and statistical analysis on an extensive experimental database (over 2000 measurements) obtained by eight evaluations of carbonation carried at different ages, through 14 years of natural exposure prototypes of concrete beams. In addition, chemical analysis of pH, ionic strength and conductivity of the pore solution - obtained through innovative method - were conducted in both the carbonated layer and the non-carbonated layer of concrete. The results indicate that the empirically-analytical model proposed by Tuutti, has an excellent representativity of carbonated depth over time. The use of a coefficient of carbonation, from Tuutti’s model, calculated from early ages, can generate mistaken conclusions: underestimating the dry-cured concrete and overestimating the moist-cured concrete. In the overall analysis of the natural carbonation coefficients obtained by ANOVA showed that the water/binder ratio is the most significant factor, followed by curing type and, finally, the type of addition. The best performances as the carbonation are observed to the lower water/binder concretes, subjected to wet cure. Under the method used to obtain the pore solution, it was possible to compare the difference between the chemical properties of non-carbonated and carbonated layers of each type of concrete analyzed. / O fenômeno da carbonatação consiste em um processo físico-químico que leva à redução de alcalinidade do concreto. Isto pode desestabilizar a camada protetora do aço, deixando-o passível de corrosão, que é uma das mais importantes e onerosas causas de deterioração do concreto armado. Nesse sentido, a análise química da solução do poro tem sido realizada há cerca de 60 anos, contudo raros trabalhos focam em concretos submetidos à carbonatação contendo adições minerais, dada a dificuldade de se obter a solução devido à densificação na estrutura porosa nessas condições. Dependendo da composição do concreto, o processo de carbonatação natural pode levar vários anos para apresentar dados passíveis de análise, diante disso, a maioria dos estudos nesse tema utilizam ensaios acelerados para simular tal fenômeno, contudo, mesmo com todo controle do ambiente de laboratório, não se pode reproduzir a aleatoriedade das variáveis que ocorre em situações reais de degradação. Este trabalho tem como objetivo avaliar o processo de carbonatação natural em 36 diferentes concretos ou condições de análise, os quais cobrem uma ampla faixa de características e propriedades dos concretos, representando as mais diversas situações de serviço para as estruturas, após cerca de 14 anos de exposição, em ambiente típico urbano. São, portanto, apresentados resultados de concretos sem e com adições minerais (sílica ativa, cinza de casca de arroz, metacaulim, cinza volante e escória de alto-forno); três relações água/ligante (0,40; 0,55 e 0,70) e duas condições de cura (seca e úmida). O estudo se deu por meio de aplicações de modelos simplificados de carbonatação e análises estatísticas em um extenso banco de dados experimentais (mais de 2000 medidas) obtido por oito avaliações da frente de carbonatação realizadas em diferentes idades, durante 14 anos de exposição natural de protótipos de vigas de concreto. Foram realizadas também análises químicas de pH, força iônica e condutividade da solução do poro, obtida através de método inovador, tanto da camada carbonatada quanto da camada não carbonatada dos concretos. Os resultados indicam que o modelo empírico-analítico, proposto por Tuutti, possui excelente representatividade da profundidade carbonatada ao longo do tempo. A utilização de um coeficiente de carbonatação, do modelo de Tuutti, calculado a partir de idades iniciais pode gerar conclusões equivocadas: subestimando os concretos sem cura e superestimando os de cura úmida. A análise global dos coeficientes de carbonatação, obtidos pela ANOVA, demonstrou que a relação água/ligante é o fator mais significativo, seguido do tipo de cura e, por último, o tipo de adição. Os melhores desempenhos quanto à carbonatação são observados para os concretos de menor relação água/ligante, submetidos à cura úmida. De acordo com o método empregado para obtenção da solução do poro, foi possível comparar a diferença entre as propriedades químicas da camada não carbonatada e a carbonatada, para toda a família de concretos analisada.

The durability of reinforced concrete structures derives from the protective effect provided by the concrete cover over the steel rebars. When the passivation of the steel is compromised, the whole structure is liable to corrosion phenomena, whose rate of propagation is mainly controlled by the electrical resistivity of the concrete between the anode and cathode and by the availability of oxygen at the cathode. The electrical resistivity of concrete is highly dependent on its physical and chemical characteristics. This study aimed at to investigate the influence of the content of rice husk ash (RHA) on the electrical resistivity of concrete and identify any correlations between electrical resistivity and compressive strength properties and changes in pore solution and pore structure. The mixtures in this study were prepared with water/binder ratios (w/b) of 0.35, 0.50 and 0.65 with RHA substitutions of 10%, 20% and 30% for cement. Samples with 50% blast furnace slag, 35% fly ash and a reference sample with 100% cement were also investigated. Electrical resistivity was determined using the four electrode method (Wenner s Method adapted for concrete). Tests of compressive strength, pore solution composition, pH e electrical condutivity, and mercury porosimetry were also performed. These indicate that that the age of the sample, the w/b ratio used and the mineral additions have a expressive effect on the electrical resistivity of concrete because of changes in the concrete pore structure and in the composition and volume of pore solution. Results show there is a exponential increase in concrete resistivity as the content of RHA grows. This is confirmed by the smaller size of the pore network and the lower specific conductivity of the pore solution, which show a sound correlation. The best results in electrical resistivity were obtained with content of 30% of RHA. The best cost/benefit ratio for compressive strength values of 65MPa and electrical resistivity of 30kΩ.cm was obtained with the use of 10% RHA and for compressive strength values of 65MPa and electrical resistivity of 60kΩ.cm, the best results were obtained with 20% RHA. / A durabilidade das estruturas de concreto armado é resultado da ação protetora do concreto sobre o aço. Quando a passivação do aço deixa de existir, a estrutura torna-se vulnerável ao fenômeno da corrosão, cuja propagação, após iniciada, é essencialmente controlada pela resistividade elétrica do concreto entre o ânodo e o cátodo e pela disponibilidade de oxigênio no cátodo. A resistividade elétrica do concreto é uma propriedade extremamente sensível às características físicas e químicas do mesmo. O presente trabalho buscou investigar a influência do teor de cinza de casca de arroz (CCA) na resistividade elétrica do concreto, bem como correlacionar os resultados obtidos com a resistência à compressão axial e alterações na composição da solução aquosa e estrutura dos poros. Foram investigadas misturas com relações água/aglomerante (a/ag) 0,35 , 0,50 e 0,65 com teores de substituição em massa de 10%, 20% e 30% de CCA. Para comparar os resultados, misturas com 50% de escória de alto forno, 35% de cinza volante e uma mistura de referência com 100% de cimento foram simultaneamente investigadas. A resistividade elétrica foi determinada utilizando o método dos quatro eletrodos (método de Wenner, adaptado para uso em concreto). Paralelamente, foram realizados ensaios de resistência à compressão axial, composição, pH e condutividade elétrica específica da solução aquosa dos poros e porosimetria por intrusão de mercúrio. Verificou-se que a idade, a relação a/ag e as adições minerais mostraram uma influência expressiva na resistividade elétrica do concreto, em virtude principalmente das alterações na estrutura dos poros e na quantidade e composição da solução dos mesmos. Os resultados mostraram um crescimento exponencial na resistividade do concreto com o aumento do teor de CCA. Tal fato foi confirmado pelo maior refinamento dos poros e menor condutividade específica da solução dos mesmos, mostrando haver uma ótima correlação entre estes fatores. Assim, os melhores resultados na resistividade elétrica foram obtidos com o teor de 30% de CCA. A melhor relação CUSTO/BENEFÍCIO, para 65MPa de resistência à compressão e 30kΩ.cm de resistividade elétrica, foi obtida com 10% de CCA e, para 65MPa e 60kΩ.cm, os melhores resultados foram atingidos com 20% desta adição.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Currently, it is increasing the search for alternatives to minimize the environmental impact on inputs production. Concrete, highly polluting, is the second most natural material used by man, losing just for the water. Mineral additions have been investigated as partial replacement of cement in concrete, because, besides of providing the use of industrial waste, it can offer improvements in material characteristics. This study analyzed the microstructure of cement pastes composed by sludge produced in water treatment plants (WTP). Seven different traces were investigated: a reference one and 6 traces adding WTP sludge ash in different levels of 5, 10, 15, 20, 25 and 30%. Each trace has been developed to three water/binder (w/b) ratios (0.35, 0.50 and 0.65), ending in 21 different traces, which were studied for different healing ages. Assays of Calorimetry, thermogravimetric analysis (TGA/DTA), setting time, DRX, porosity by mercury intrusion (PIM), chemically combined water, electrical conductivity and hydrogen potential (pH); were performed. From the results, it appears that the increased cement replacement content by WTP sludge ash resulted in an increase in the start and end times of the setting time and decrease in electric conductivity and pH testing. Likewise, a reduction in remnant CH amounts with the increase in WTP sludge ash content shown in TG and XRD tests, as well as reduction in hydration heat because of less formation of side C-S-H. The results for combined chemical water increased when the relations w/b and the WTP sludge ash also increased. When compared to the reference mixture, the increase in WTP sludge ash content resulted in PIM values and the like, although an increase is found in the total area of pores due to change in pore size distribution. / Atualmente a busca por alternativas para minimizar o impacto ambiental na produção de insumos vem aumentando. O concreto é o segundo material mais utilizado pelo homem, perdendo apenas pelo consumo de água. Adições minerais têm sido investigadas como substituição parcial ao cimento no concreto, pois, além de propiciar o aproveitamento de resíduos industriais, podem contribuir nas propriedades do material. Este estudo analisou a microestrutura de pastas de cimento compostas por diferentes teores de cinza de lodo de Estação de Tratamento de Água (CLETA). Foram investigados 7 traços diferentes: um traço de referência e 6 traços com adição de CLETA, para teores de 5, 10, 15, 20, 25 e 30%. Cada traço foi desenvolvido para 3 relações a/ag (0,35, 0,50 e 0,65), totalizando 21 diferentes traços, que foram estudados para diferentes idades de cura. Foram realizados ensaios de calorimetria, análise termogravimétrica (TG), tempo de início e fim de pega, difração de raios X (DRX), Porosidade por Intrusão de Mercúrio (PIM), água quimicamente combinada, condutividade elétrica e potencial de hidrogênio (pH). Dos resultados obtidos, constata-se que o aumento no teor de substituição de cimento por CLETA resultou em aumento nos tempos de início e fim de pega e diminuição na condutividade elétrica e nos valores de pH. Da mesma forma, houve uma redução nos valores de CH remanescente com o aumento no teor de CLETA, evidenciado nos ensaios de TG e DRX, assim como, redução no calor de hidratação devido a menor formação de C-S-H secundário. O teor de água quimicamente combinada aumentou com o aumento na relação a/ag e do de teor de CLETA. Quando comparado à mistura de referência, o aumento no teor de CLETA resultou em valores de PIM semelhantes, embora constate-se aumento na área total de poros, devido a alteração na distribuição de tamanho destes.

The cement being used in the construction industry is the result of a chemical process<p>linked to the decarbonation of limestone conducted at high temperature and results in a<p>significant release of CO2. This thesis is part of the project EcoBéton (Green concrete) funded<p>by the French National Research Agency (ANR), with a purpose to show the feasibility of<p>high substitution of cement by mineral additions such as blast furnaces slag, fly ash and<p>limestone fillers. Generally for high percentages of replacements, the early age strength is<p>lower than Portland cement concrete. To cope with this problem, an optimisation method for<p>mix design of concrete using Bolomey’s law has been proposed. Following the encouraging<p>results obtained from mortar, a series of tests on concretes with different substitution<p>percentages were carried out to validate the optimisation method. To meet the requirements of<p>the construction industry related to performance of concrete at early age, which determine<p>their durability, a complete experimental study was carried out. Standard tests for the<p>characterization of the mechanical properties (compressive strength, tensile strength, and<p>setting) allowed to validate the choice of mix design on the basis of equivalent performance.<p>We focused on the hydration process to understand the evolution of the mechanical<p>properties. Setting time measurement by ultrasound device at different temperatures (10°C,<p>20°C and 30°C) showed that ground granulated blast furnace slag (GGBFS) and fly ash<p>delayed the setting process, while use of limestone filler may accelerate this process.<p>Calorimetric studies over mortars and concretes made possible to calculate the activation<p>energy of the different mixtures and a decrease in heat of hydration of concretes with mineral<p>additions was observed which is beneficial for use in mega projects of concrete. Scanning<p>Electron Microscopy observations and thermal analysis have given enough information about<p>the hydration process. It was observed that the hydration products are similar for different<p>concrete mixtures, but the time of their appearance and quantity in the cement matrix varies<p>for each concrete mix.<p>Last part of the thesis was dedicated to the study of main types of shrinkage. First of all,<p>deformations measured were correlated to hydration, capillary depression and porosity<p>evolution. Results allowed concluding that the use of mineral additions has an actual effect on<p>the plastic shrinkage behaviour, but its impact is not proportional to the percentage of<p>additions. Substitution of cement by the additions seems to have a marked influence on the<p>kinetics of the shrinkage without any effect on its long term amplitude. The study of<p>restrained shrinkage under drying conditions by means of ring tests showed that concretes<p>with high percentage of slag addition seem more prone to cracking than the Portland cement<p>concretes. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Submitted by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2014-10-23T18:20:00Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Murillo Batista Ferreira - 2013.pdf: 2726162 bytes, checksum: b4ad5f67e5b5eff91f35b0296db5a36e (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com) on 2014-10-23T18:46:59Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Murillo Batista Ferreira - 2013.pdf: 2726162 bytes, checksum: b4ad5f67e5b5eff91f35b0296db5a36e (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-10-23T18:46:59Z (GMT). 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The carbonation moves from outside to inside the concrete through a carbonated front, that when it reaches the depth of the reinforcement causes destabilization of the protective passive layer, providing the onset of the corrosion. How many researches are conducted by accelerated carbonation tests, it is of paramount importance that the evaluation process by comparing it with data obtained from samples that have suffered natural carbonation. Facing this reality, this research is conducted based on samples that are exposed in the natural environment (external housed) for a period of ten years, with the general objective of evaluating the results (coefficients and carbonation depths) of natural carbonation process of concrete with different mineral additions, water/binder ratios and curing conditions (moist and dry) over this period. For this realization, samples of concrete produced in 2002, produced in Castro's dissertation (2003). The variables included in the experimental program are: concretes with five types of mineral additions (silica fume (10%), rice husk ash (10%), metakaolin (10%), fly ash (25%), blast furnace slag (65%), these amounts being in partial replacement of cement mass) and the reference concrete, without mineral addition; three water/binder relationships (0.40 , 0.55 and 0.70) and two curing conditions (moist and dry). Measurements were made of natural carbonation through of pH indicator based on phenolphthalein, elaborating a database along time, through measurements with periods of exposure of 0.25 years (91 days), 0.50 years (182 days), 0.82 years (301 days), 3 years, 7 years, 9 years and 10 years, allowing comparative performance evaluation of various concrete containing mineral additions, taking as a base carbonated depths and natural carbonation coefficients data. The results showed that there are significant differences of behavior between different concretes studied and that in the overall analysis of the carbonation natural coefficients, the reference concrete showed the best alone performance, showing that the alkaline reserve is still the predominant effect in terms of against carbonation, but the microstructure refinement provided by additions (physical effect) approaches such chemical aspect, as detected, for example, in concrete with metakaolin. In the correlation between the accelerated carbonation coefficients and the natural carbonation ones, was verified a relation of direct proportionality between the coefficients found for the two procedures, with the coefficient signifying accelerated approximately 7.4 times the natural ratio. The useful life predictions showed periods of time until the carbonation front reaches the cover thickness ranging from 4 years up to 241 years, for the different concretes and situations analyzed. / Dentre as diversas patologias que atacam as estruturas de concreto destaca-se a corrosão das armaduras, que pode ser desencadeada pelo fenômeno da carbonatação do concreto, que consiste em um processo físico-químico entre o gás carbônico (CO2) presente na atmosfera e os compostos da pasta de cimento, tendo como resultado principal a precipitação do carbonato de cálcio (CaCO3) em uma região do cobrimento, com a constituição de uma camada que passa a ter uma alcalinidade significativamente menor do aquela não afetada por esse fenômeno. A carbonatação avança de fora para dentro do concreto, por meio de uma frente carbonatada, que quando atinge a profundidade das armaduras provoca desestabilização da camada passiva protetora, propiciando assim o início da corrosão. Como muitas pesquisas são conduzidas por ensaios de carbonatação acelerada, é de suma importância a avaliação desse processo confrontando-o com dados obtidos de amostras que sofreram cabonatação natural. Diante dessa realidade, esta pesquisa se conduz baseada em amostras que estão expostas no ambiente natural (abrigado externo) por um período de dez anos, com o objetivo geral de avaliar os resultados obtidos (profundidades e coeficientes de carbonatação) do processo de carbonatação natural de concretos com diferentes adições minerais, relações água/aglomerante e processos de cura (úmida e seca) ao longo desse período. Para sua realização, foram utilizados corpos de prova de concreto armado produzidos no ano de 2002, fruto da dissertação de Castro (2003). As variáveis contempladas no programa experimental são: concretos com cinco tipos de adições minerais (sílica ativa (10%), cinza de casca de arroz (10%), metacaulim (10%), cinza volante (25%) e escória alto forno (65%), sendo estes teores em substituição parcial da massa de cimento) e mais o concreto de referência, sem adição mineral; três relações água/aglomerante (0,40; 0,55 e 0,70) e dois procedimentos de cura (úmida e seca). Foram realizadas medidas de carbonatação natural por meio de indicador de pH à base de fenolftaleína, elaborando-se um banco de dados ao longo do tempo, por meio de medidas realizadas com os tempos de exposição de 0,25 anos (91 dias), 0,50 anos (182 dias), 0,82 anos (301 dias), 3 anos, 7 anos, 9 anos e 10 anos, permitindo assim uma avaliação comparativa de desempenho dos diversos concretos contendo adições minerais, tendo-se como base os valores de profundidade carbonatada e os coeficientes de carbonatação natural. Os resultados mostraram que existem diferenças significativas de comportamento entre os diversos concretos estudados e que na análise global dos coeficientes de carbonatação natural, o concreto de referência apresentou isoladamente o melhor desempenho, demonstrando que a reserva alcalina ainda é o efeito preponderante em termos de combate à carbonatação, mas que o refinamento da microestrutura proporcionado pelas adições (efeito físico) se aproxima desse aspecto químico, como se tem, por exemplo, nos concretos com metacaulim. Na correlação entre os coeficientes de carbonatação acelerado e natural, verificou-se uma relação de direta proporcionalidade entre os coeficientes encontrados para os dois procedimentos, com o coeficiente acelerado significando aproximadamente 7,4 vezes o coeficiente natural. Os prognósticos de vida útil mostraram períodos de tempo estimado até a frente de carbonatação atingir a espessura de cobrimento variando desde 4 anos até 241 anos, para os diversos concretos e situações analisadas.

Carbonation is a natural phenomenon observed in carbon structures, and it is a result of the combined presence of CO2 in the environment and moisture. Carbonation may lower the pH of the concrete to such an extent that the passivation layer of the steel is depleted and the onset of frame corrosion is observed, which is one of the major pathologies in reinforced concrete structures. This study aimed to assess accelerated carbonation in concrete samples prepared with rice husk ash (RHA) with different concentrations of graphitic carbon and different curing periods. Concrete samples were prepared with 5%, 10%, 20% and 30% of RHA as a substitution for high early strength Portland cement (Brazilian grade CPV-ARI), different water/binder ratios (0.35; 0.50; 0.65) and wet cured for 3 and 7 days. In addition, two mixes with 5% and 10% silica fume as substitutions for Portland cement were used for comparison. Accelerated carbonation was performed in 10x10cm test specimens (TS) that were preconditioned as determined by standard RILEM TC 116-PCD. These TSs were stored in a controlled temperature chamber (RH 65 ± 2%, temperature 23 ± 2°C, 3% CO2 b/v), where they were exposed to CO2 for 4, 8, 12 and 16 weeks. The mercury intrusion porosimetry test was performed in 4x8cm TSs, which were tested after 91 days. Overall results show improved accelerated carbonation performance in the samples prepared with rice husk ash with lower concentrations of graphitic carbon, even though figures were similar. Higher concentrations of RHA in the concrete samples resulted in increased carbonation coefficients for all mixes investigated. For samples of the same strength values, a reduction in carbonation coefficients was observed when their compressive strength increased from 40 MPa to 50 MPa, This was seen in all mixes investigated for the curing period used, which shows that the use of longer curing periods improves the service life of structures. / O fenômeno da carbonatação acontece naturalmente em estruturas de concreto, exigindo apenas certa concentração de CO2 no ambiente e determinado teor de umidade. Este fenômeno provoca a redução do pH do concreto a níveis que podem causar a eliminação da película passivadora do aço, podendo ocorrer a instalação do mecanismo de corrosão das armaduras, uma das principais patologias em estruturas de concreto armado. O presente estudo teve por objetivo avaliar a carbonatação acelerada em concretos compostos com cinza de casca de arroz com diferentes teores de carbono grafítico e períodos de cura. Os concretos foram moldados com cinza de casca de arroz com teores de 5%, 10%, 20% e 30% em substituição ao cimento Portland de alta resistência inicial (CPV-ARI), com diferentes relações água/aglomerante (0,35; 0,50; 0,65) e com períodos de cura em câmara úmida de 3 e 7 dias. Duas misturas com 5% e 10% de sílica ativa em substituição ao cimento Portland foram empregadas como parâmetro de comparação. A carbonatação acelerada foi realizada em corpos-de-prova 10x10cm que passaram pelo pré-condicionamento, conforme preconiza a norma RILEM TC 116-PCD, após serem inseridos em uma câmara climatizada com uma umidade de (65 ± 2)%, temperatura de (23 ± 2)°C e uma concentração de CO2 de 3% em volume, por períodos de 4, 8, 12 e 16 semanas de exposição ao CO2. Já o ensaio de porosimetria por intrusão de mercúrio foi realizado em corpos-de-prova medindo 4x8cm, que foram ensaiados aos 91 dias. Os resultados mostram, de maneira geral, um melhor desempenho da cinza de casca de arroz com menor teor de carbono grafítico frente à carbonatação acelerada, apesar da proximidade dos resultados. O aumento do teor substituição, nos concretos com cinza de casca de arroz, provocou um aumento dos coeficientes de carbonatação, para todas as misturas investigadas. Em igualdade de resistência, constata-se que houve uma diminuição dos coeficientes de carbonatação quando a resistência à compressão aumenta de 40 MPa para 50 MPa para todas as misturas analisadas e para o prazo de cura adotado, evidenciando que o prolongamento no período de cura do concreto reflete diretamente no aumento da vida útil da estrutura.

Concrete is one of the most used building materials in the world because of its good properties. However, cement which is one of the main components in concrete, produces a high amount of heat during the hydration process. The generated heat leads to temperature rise inside the structure. This temperature rise becomes an issue for massive concrete structures, such as hydropower plants and dams, since natural cooling is no longer sufficient. In combination with restrained boundary conditions, increasing temperatures result in tensile stresses causing thermal cracking of the structure. Reducing thermal cracking in a restrained massive concrete structure can be done by lowering or controlling the temperature rise. Several methods of cooling can be used to achieve this. These methods may be divided in pre-cooling and post-cooling methods. To pre-cool concrete the cement content can be reduced by replacing it with mineral additions such as limestone, fly ash, silica fume and ground granulated blast furnace slag. Another method is to increase the size of the aggregates or to pre-cool the aggregates. Ice can also be used to reduce the temperature at casting the concrete and reduce the amount of water that is needed in the mix. The main post-cooling method is cooling pipes, with cold water circulating in the pipes to cool the structure. This master thesis project focuses on comparing the possible methods to reduce the temperature in massive concrete structures. Simulations with the computer program HACON were performed to analyse the effect of these methods. The results from this study showed that cooling pipes gave the best reduction of the maximum temperature and the maximum temperature gradient by 42 % and 76 %, respectively. However, if cooling pipes were to be avoided, the best result of the studied mineral additions was with a replacement of 30 % fly ash resulting in almost the same reduction in maximum temperature but less than one third of the reduction in the gradient. The reduction obtained with fly ash was not as efficient as cooling pipes; therefore appropriate combinations of different pre-cooling methods were also studied. The results of the combination of fly ash, ice, and larger aggregates showed even better reduction of the maximum temperature reduction compared to cooling pipes. The results also showed that the obtained temperature reductions were almost independent from the thickness of the structure. This conclusion is however only valid for massive structures, where cases with 1.5 and 3.0 m were analysed. Further study may be on finding suitable combination of pre-cooling methods to avoid the use of cooling pipes, as well as analysing the cost for the different pre-cooling methods. / Betong är ett av de mest använda byggmaterialen i världen, tack vare dess goda egenskaper. Cement, som är en av huvudkomponenterna i betong, genererar en stor värmeutveckling under hydratationen. Värmeutveckling som genereras leder till temperaturhöjningar i strukturen. Denna temperaturhöjning blir således ett problem för massiva betong- konstruktioner, såsom vattenkraftverk och dammar, på grund av att den naturliga avkylningen inte längre är tillräcklig för att avlägsna värmen. I kombination med yttre och inre tvång resulterar högre temperaturer i dragspänningar som orsakar sprickor i strukturen. Minskningen av sprickbildning i en fastgjuten massiv betongstruktur kan ske genom att minska eller reglera temperaturhöjningen. För att göra det kan flera kylmetoder användas. Dessa metoder kan delas in i förberedande kylning och efterkylning. Med förberedande kylning kan cementhalten i betong reduceras genom ersättning med mineraltillsatser såsom kalksten, flygaska, silikastoft eller markgranulerad masugnsslagg. En annan metod är att öka ballastens storlek eller att kyla ballasten. Is kan användas både för att minska temperaturen vid gjutning av betong och reducera mängden vatten som behövs i blandningen. Den vanligaste efterkylningsmetoden är användning av kylrör med cirkulerande kallt vatten för att kyla strukturen, dvs. utan att ändra mängden värme som produceras av cementhydratationen. Denna uppsats ämnar jämföra olika metoder för att reducera temperaturen i massiva betongkonstruktioner. Simuleringar har genomförts med datorprogrammet HACON i syfte att analysera inverkan av olika metoder. Resultaten från studien visade att kylrör gav den bästa minskningen av den maximala temperaturen och den maximala reduktionen av temperaturgradienten med 42 % respektive 76 %. Om kylrör ska undvikas erhålls det bästa resultatet vid användning av 30 % flygaska, vilket resulterade i en snarlik minskning i maximal temperatur med mindre än en tredjedel av reduktionen av gradienten. Då reduceringen med flygaska inte var lika effektiv som med kylrör har lämpliga kombinationer av olika förberedande kylmetoder studerats. Resultatet av kombinationen med flygaska, is och större ballast visade en ännu effektivare minskning av den maximala temperaturreduceringen jämfört med kylrör. Vidare visade resultaten även att de erhållna temperaturreduceringarna nästan var oberoende av konstruktionens tjocklek. Denna slutsats kan endast tillämpas för massiva konstruktioner, där fall med en 1.5 och 3.0 m tjock vägg analyserades. Fortsatta studier kan vara att hitta fler lämpliga kombinationer av förberedande kylmetoder för att undvika användning av kylrör, liksom att analysera kostnaden för de olika förberedande kylmetoderna.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:03:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao Adrielli.pdf: 5370662 bytes, checksum: 4e167ff0f119f9298b4d7ed2791baa06 (MD5) Previous issue date: 2007-08-29 / The present work aims to study the performance of concrete with regard to the action of chloride ions, evaluating the influence of both mineral additions and water/binder ratio (w/b), considering kinetic and thermodynamic aspects of the corrosive phenomenon. A experimental research was carried out considering the following variables: the presence of mineral additions in partial substitution to the cement weight (10% of silica fume; 25% of fly ash; 10%, 20% and 30% of metakaolin) and the water/binder ratio (0,40 and 0,55). Thus, cubic concrete test specimens were produced, in addition to cylindrical test specimens for concrete characterization in relation to the compressive strength, specific mass, void ratio and capillary water absorption. After 645 days of casting, the cubic concrete test specimens were submitted to the chlorides attack during 308 days, totality 44 weekly cycles of immersion in chlorides aggressive solution. They were monitored, throughout this period, by means of techniques, such as: the concrete electric resistivity, the half-cell potential, the polarization resistance and the electrochemical impedance spectroscopy. At the end of the experiment, visual inspections of reinforcing steels allowed to observe their superficial aspects after attack. As general result, it was gotten that the incorporation of mineral additions to the concretes promoted significant profits in all the evaluated properties, evidencing the beneficial effect of these additions in concretes exposed to aggressive conditions, specially in those in which there are chloride ions. In this direction, the statistical analysis has shown evidences that concretes with silica fume and metakaolin achieved the best results of electrical resistivity. In relation to the half-cell potentials, the reference concrete (without mineral additions) presented the worst performance, with an indication of despassivation in the reinforcing steels accentuated fall in the values of resistance of polarization with the time, proving the susceptibility of these systems to the action of chlorides. The concrete with mineral additions did not present depassivation of the reinforcing steels meaning that these systems possess great durability and service life in relation to those without mineral additions / O presente trabalho tem como objetivo estudar o desempenho de concretos quanto à ação de íons cloreto, avaliando tanto a interveniência das adições minerais incorporadas ao concreto quanto da relação água/aglomerante (a/ag), considerando aspectos cinéticos e termodinâmicos do fenômeno corrosivo. Para tanto, desenvolveu-se uma pesquisa experimental que contemplou as seguintes variáveis: a presença de adições minerais em substituição parcial à massa de cimento (10% de sílica ativa; 25% de cinza volante; 10%, 20% e 30% de metacaulim) e a relação água/aglomerante (0,40 e 0,55). Foram moldados corpos-de-prova cúbicos, além de corpos-de-prova cilíndricos para caracterização dos concretos quanto à resistência à compressão, massa específica, índice de vazios e absorção de água por capilaridade. Após 645 dias de moldagem, os corpos-de-prova cúbicos de concreto foram submetidos ao ataque por cloretos durante 308 dias, totalizando 44 ciclos semanais de imersão em solução agressiva e posterior secagem em ambiente de laboratório. Foram monitorados, ao longo deste período, a resistividade elétrica desses concretos, os potenciais de corrosão, a resistência de polarização e a impedância eletroquímica. Ao fim do experimento, inspeções visuais à armadura permitiram observar o seu aspecto superficial após o período de ataque. Como resultado geral, obteve-se que a incorporação de adições minerais aos concretos promoveu ganhos significativos em todas as propriedades avaliadas, evidenciando o efeito benéfico dessas adições em concretos submetidos às condições agressivas, sobretudo contendo íons cloreto. Nesse sentido, a análise estatística evidenciou que os concretos com sílica ativa e com metacaulim obtiveram os melhores resultados de resistividade elétrica. Quanto aos potenciais de corrosão, os concretos de referência (sem adições minerais) apresentaram desempenho inferior, com a indicação da despassivação das armaduras e a queda acentuada nos valores de resistência de polarização com o tempo, comprovando a susceptibilidade desses sistemas à ação de cloretos. Os concretos com adições minerais não apresentaram despassivação das armaduras, denotando que esses sistemas possuem maior durabilidade e vida útil em comparação àqueles referentes aos concretos sem adição mineral, tendo em vista o ataque por cloretos