Estudo do empacotamento de microcompósitos em misturas quaternárias de cimento Portland, com uso do método de Monte Carlo e foco na redução da emissão de CO2

Abstract

Resumo: O estudo prioriza a substituição parcial do clinquer por adições, o que pode contribuir de maneira significativa na mitigação da pegada do carbono dentro da cadeia produtiva do cimento, do concreto e no seu efeito climático global. Este trabalho teve como objetivo avaliar o efeito do empacotamento de partículas em misturas quaternárias de aglomerantes hidráulicos (Cimento Portland, micro metacaulim, micro fíler calcário e nanossílica). A estratégia do estudo combinou o uso do modelo de empacotamento de Andreasen Modificado (1980) com o método probabilístico de Monte Carlo e ajuste pelo critério de convergência por mínimos quadrados. Algoritmos específicos foram desenvolvidos em linguagem Microsoft Visual Basic for Aplications (VBA) em planilha eletrônica para aplicação do método de Monte Carlo. No estudo em laboratório, foram utilizadas técnicas de termogravimetria (TGA/TDA), fluorescência (FRX) e difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS), porosimetria por intrusão de mercúrio (PIM), granulometria por difração de laser, além de ensaios físicos de consistência da argamassa em flow table e moldagem e rompimento à compressão de corpos de prova de argamassa. Duas ações complementares ao empacotamento visando o aumento do desempenho foram adotadas. A primeira foi a redução do tamanho das partículas dos materiais substitutos do clinquer através da moagem de alta energia em moinho especial e a segunda foi diminuir a porosidade da matriz cimentícia através da redução das distâncias entre as partículas com uso de aditivo específico. Os resultados obtidos confirmaram o efeito benéfico do empacotamento das partículas e a viabilidade da substituição de 50% do clinquer por materiais alternativos e com ganho de 30% na resistência aos 28 dias, o que mostra a potencialidade do modelo adotado e a sua contribuição efetiva no desenvolvimento de materiais que proporcionam alto desempenho e menor emissão de CO2. O aglomerante obtido pôde proporcionar a redução das emissões de CO2 de 253 kg/ton no cimento e 56% no concreto.

Abstract: The study prioritizes the partial replacement of clinker by Supplementary cementitious materials, which can significantly contribute to the mitigation of the carbon footprint within the concrete production chain and its global climate effect. This work aimed to evaluate the effect of particle packing in quaternary blended of hydraulic binders (nanosilica, nanolimestone powder, nanocalcined kaolinitic clay, and Ordinary Portland cement – NS LC3). The study strategy combined the use of the Modified Andreasen packing model (1980) and the Monte Carlo probabilistic method, to calculate the quantities of each component of the mixture, which was adjusted to the theoretical packing model using the least-squares criterion. Specific algorithms were developed in Microsoft Visual Basic for Aplications (VBA) in an electronic spreadsheet to apply the Monte Carlo method. In laboratory study, used techniques of thermogravimetry (TGA/TDA), fluorescence (RXF) and X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), dispersive energy microscopy (DEM), mercury intrusion porosimetry (MIP), particle size by laser diffraction, in addition to physical tests of mortar consistency in flow table, molding and testing the compression of mortar specimens. Two actions complementary to packing aimed at the increasing performance were adopted. The first was to reduce the particle size of the clinker substitute materials through high energy grinding in a special mill and the second was to reduce the porosity of the cementitious matrix by reducing the distances between the particles with the use of specific additives. The results obtained confirmed the beneficial effect of packing the particles and the feasibility of replacing 50% of the clinker with alternative materials and with a 30% gain in strength at the 28 days, which shows the potential of the model adopted and its effective contribution in development of materials that provide high performance and lower CO2 emissions. The binder obtained was able to reduce CO2 emissions by 253 kg/ton in the cement and 56% in concrete.