Avaliação de sistemas combinados de microfibra de celulose e microcelulose cristalina para a produção de placas cimentícias

Abstract

Resumo: A compreensão dos efeitos de materiais celulósicos como adição em matrizes a base de aglomerantes minerais é essencial para projetar materiais de construção de alto desempenho e vida útil prolongada. As microfibras de celulose são produtos renováveis com capacidade de proporcionar às matrizes cimentícias controle de fissuras na retração e ação na cura interna. No entanto, a incorporação dessas microfibras pode apresentar um impacto negativo em compósitos cimentícios, devido ao enfraquecimento das microfibras causado pelo efeito alcalino, dispersão inadequada e à incompatibilidade química entre microfibras de celulose e matriz cimentícia. Por outro lado, a microcelulose cristalina pode contribuir com o empacotamento de partículas e a diminuição da taxa de crescimento de microfissuras, melhorando a adesão entre as partículas de cimento. Dessa forma, o presente trabalho tem por objetivo avaliar o efeito de sistemas combinados de microfibra de celulose e microcelulose cristalina para a produção de placas cimentícias, tendo em vista os benefícios que o sistema poderá proporcionar em compósitos à base de cimento. Os sistemas são compostos por cimento CPV ARI e teores de microfibra de celulose – FC (0,5%; 1% e 1,5% da massa de cimento) e destes com teores de microcelulose cristalina – MCC (0,4%; 0,6% e 0,8% da massa de cimento), totalizando 16 sistemas avaliados em escala laboratorial. O estudo foi desenvolvido em duas etapas subsequentes. Na primeira etapa, foi avaliado o efeito da microfibra de celulose e microcelulose cristalina no tempo da mistura para atingir a temperatura máxima de hidratação inicial e o seu impacto no comportamento reológico, desempenho mecânico à compressão e à tração na flexão, além da composição química. Nesta etapa, foi possível observar que a incorporação de microceluloe cristalina em 0,6% acelerou a hidratação inicial das pastas cimentícias, contribuindo com o desempenho mecânico superior na compressão, contribuição esta não observada para as microfibras de celulose. No comportamento reológico verificado com base no ensaio de squeeze flow, todas as amostras estudadas apresentaram um fluxo com cargas muito baixas, inferiores a 100N e se estendendo por grande parte da curva. O alto teor de celulose (FC 1,5%) altera os principais fenômenos relacionados ao fluxo, resultando um entrelaçamento e reduzindo a plasticidade pelo aumento do consumo da água de amassamento. No que se refere ao estado endurecido, os teores combinados de FC 0,5-MCC 0,4, FC 1,0-MCC 0,4 e FC 0,5-MCC 0,6 promoveram um aumento no grau de hidratação e consequentemente, contribuíram com o desempenho mecânico à compressão superior em relação a mistura de referência. Os teores máximos das adições combinadas de microfibra de celulose (1,5%) e microcelulose cristalina (0,8%) proporcionaram redução no grau de hidratação das pastas e, consequentemente, nas propriedades mecânicas, confirmada com a tendência decrescente na magnitude dos picos de intensidade de porltandita e calcita. Na segunda etapa do estudo experimental, foram preparadas placas cimentícias com adição combinada de microfibra de celulose e microcelulose cristalina, nos teores combinados que apresentaram desempenhos superiores nos estados fresco e endurecido (FC 0,5-MCC 0,4, FC 1,0-MCC 0,4 e FC 0,5-MCC 0,6). Corpos de prova foram confeccionados por prensagem e suas propriedades físicas e mecânicas foram avaliadas após 28 dias. Os resultados de módulo de ruptura e elasticidade indicaram que a formulação combinada FC 0,5-MCC 0,6 apresentou melhoria significativa quando comparadas as placas cimentícias de referência. Os resultados de inchamento em espessura e módulo de elasticidade de todas as placas cimentícias produzidas com adição combinada de microfibra de celulose e microcelulose cristalina, atendem os requisitos mínimos da norma para placas cimentícias, mostrando-se uma alternativa interessante para novas tecnologias em fibrocimento

Abstract: The study of the effects of cellulose materials as reinforcement in matrices based on mineral binders is essential to design high performance and long life construction materials. Cellulose microfibers are renewable products with the ability to provide cementitious matrices control over shrinkage cracks and internal curing action in cementitious matrices. However, the incorporation of these microfibers can have a negative impact on cementitious composites due to the weakening of the microfibers caused by the alkaline effect, inadequate dispersion, and the chemical incompatibility between cellulose microfibers and cement matrix. The crystalline microcellulose can contribute to improve particle packing and reduce the growth rate of micro cracks. Crystalline microcelluloses can improve adhesion between cement particles. Thus, this study aims to evaluate the effect of combined systems of cellulose microfiber and crystalline microcellulose for the production of cement boards, considering the potential benefits the system may provide in cement-based composites. The systems consist of CPV ARI cement and cellulose microfiber content (0,5%, 1% and 1,5% of the cement mass) and these are combined with crystalline microcellulose content (0,4%, 0,6% and 0,8% of the cement mass), totaling 16 systems evaluated on a laboratory scale. The study was developed in two stages. In the first stage, the effect of cellulose microfiber and crystalline microcellulose on the time to reach the maximum initial hydration temperature was evaluated, along with its impact on rheological behavior, mechanical performance in compressive and flexural tensile strength, and chemistry composition. In this stage, it was observed that the incorporation of 0,6% crystalline microcellulose accelerated the initial hydration of cement pastes, contributing to superior mechanical performance in compression. This contribution was not observed for cellulose microfibers. In the rheological behavior observed based on the squeeze-flow test, all studied samples showed flow with very low loads, less than 100N, extending over a large part of the curve. The high cellulose microfiber content (FC 1,5%) alters the main flow-related phenomena, resulting in entanglement and reducing plasticity due to increased water consumption. Regarding the hardened state, the combined content of FC 0,5-MCC 0,4, FC 1,0- MCC 0,4 and FC 0,5-MCC 0,6 promoted an increase in the degree of hydration and consequently contributed to the superior mechanical performance in compression compared to the reference mixture. The maximum combined additions of cellulose microfiber (1,5%) and crystalline microcellulose (0,8%) resulted in a reduction in the degree of hydration of the pastes and, consequently, in the mechanical properties, confirmed by the decreasing trend in the intensity peaks of porltandite and calcite. In the second stage of the experimental study, cementitious boards were prepared with the combined addition of cellulose microfiber and crystalline microcellulose, in the combined contents that showed superior performance in both fresh and hardened states (FC 0,5-MCC 0,4, FC 1,0-MCC 0,4 e FC 0,5-MCC 0,6). Specimens were manufactured by pressing, and their physical and mechanical properties were evaluated after 28 days. The results of modulus of rupture and elasticity indicated that the combined formulation FC 0,5-MCC 0,6 showed significant improvement compared to the reference cementitious boards. The results of thickness swelling and modulus of elasticity of all cement boards produced with combined addition of cellulose microfiber and crystalline microcellulose, met the minimum requirements of the standard for cement boards, proving to be an interesting alternative for new technologies in fiber-cement