Propriedades nanomecânicas de pastas de cimento

Pelisser, F.; Gleize, P. J. P.; Michel, M. D.

doi:10.1590/S1983-41952011000400003

Resumos

O entendimento da influência de cada fase do concreto, dentre as quais merece destaque a pasta de cimento, é importante para o desenvolvimento de um concreto mais eficiente, com maior velocidade de hidratação e resistência à propagação de fissuras. O módulo de elasticidade do concreto é um dos principais parâmetros de projeto de estruturas e têm grande influência na velocidade do processo de construção e na durabilidade das estruturas. A capacidade de deformação do concreto depende das características intrínsecas dos produtos de hidratação do cimento, agregados, zona de transição e poros, além de variáveis inerentes ao processo, como velocidade de hidratação e condições climáticas. O objetivo deste estudo foi avaliar as propriedades mecânicas de módulo de elasticidade e resistência superficial (dureza) para uma pasta de cimento, através da técnica da nanoindentação instrumentada e, complementarmente, comparar este valor do módulo de elasticidade, utilizando o método normatizado para concreto. Os resultados obtidos pela nanoindentação foram de 17,2 GPa para o módulo de elasticidade e de 0,90 GPa para a dureza. A determinação do módulo de elasticidade tangente inicial calculado pela NBR 6118 1 foi de 9,6 GPa. A nanoindentação mostrou-se uma ferramenta válida para avaliar modificações nanoestruturais de pastas de cimento.

nanoindentação; pasta de cimento; módulo de elasticidade

Understanding the influence of each phase of concrete, among which cement paste deserves prominence, is important for the development of a more efficient concrete, with an improved hydration process and resistance to plastic shrinkage cracks. The elastic modulus of the concrete is one of the main project parameters of structures and it has extensive influence on the speed of the construction process and the durability of structures. The capacity for deformation of the concrete depends on the intrinsic characteristics of the cement hydration products, aggregates, transition zone and pores, besides variables inherent to the process, including the speed of hydration and climatic conditions. The aim of this research was to analyze the mechanical properties of the elastic modulus and hardness of a cement paste, through the nanoindentation technique, and compare these using the conventional method for concrete. The results obtained for the nanostructure of cement pastes presented mean elastic modulus values of 17.9 GPa and 0.90 GPa for hardness. Determination of the elastic modulus calculated by NBR 6118 1 was 9.6 GPa. Nanoindentation proved to be a valid method for evaluating nanostructure modifications in cement pastes.

nanoindentation; cement paste; elastic modulus

Propriedades nanomecânicas de pastas de cimento

F. Pelisser^I; P. J. P. Gleize^II; M. D. Michel^III

^IDepartamento de Engenharia Civil. Universidade do Extremo Sul Catarinense. pelisser@hotmail.com. CEP: 88802225. Criciúma. Brasil

^IIPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil. Universidade Federal de Santa Catarina. ecv1phg@ecv.ufsc.br. C.P. 476. Florianópolis. Brasil

^IIICentro Interdisciplinar de Pesquisa e Pós-Graduação. Universidade Estadual de Ponta Grossa. mdmichel@bol.com.br. CEP: 84030900. Ponta Grossa. Brasil

RESUMO

O entendimento da influência de cada fase do concreto, dentre as quais merece destaque a pasta de cimento, é importante para o desenvolvimento de um concreto mais eficiente, com maior velocidade de hidratação e resistência à propagação de fissuras. O módulo de elasticidade do concreto é um dos principais parâmetros de projeto de estruturas e têm grande influência na velocidade do processo de construção e na durabilidade das estruturas. A capacidade de deformação do concreto depende das características intrínsecas dos produtos de hidratação do cimento, agregados, zona de transição e poros, além de variáveis inerentes ao processo, como velocidade de hidratação e condições climáticas. O objetivo deste estudo foi avaliar as propriedades mecânicas de módulo de elasticidade e resistência superficial (dureza) para uma pasta de cimento, através da técnica da nanoindentação instrumentada e, complementarmente, comparar este valor do módulo de elasticidade, utilizando o método normatizado para concreto. Os resultados obtidos pela nanoindentação foram de 17,2 GPa para o módulo de elasticidade e de 0,90 GPa para a dureza. A determinação do módulo de elasticidade tangente inicial calculado pela NBR 6118 1 foi de 9,6 GPa. A nanoindentação mostrou-se uma ferramenta válida para avaliar modificações nanoestruturais de pastas de cimento.

Palavras-chave: nanoindentação, pasta de cimento, módulo de elasticidade.

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Received: 04 Dec 2009

Accepted: 21 Feb 2011

Available Online: 07 Oct 2011

01 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Concreto - Determinação dos módulos estáticos de elasticidade e de deformação e da curva tensão-deformação. NBR 08522, Rio de Janeiro, 2003.
02 RICHARDSON, I. G. The calcium silicate hydrates. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, v. 38, n. 2, p. 137-158, 2008.
03 PELLENQ, R.J.-M., LEQUEUX, N., VAN DAMME, H. Engineering the bonding scheme in C-S-H: The iono-covalent framework. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, v. 38, n.2, p. 159-174, 2008.
04 MERLIN, F. et al., Cement-polymer and clay-polymer nano- and meso-composites: spotting the difference, J. MATERIAL CHEMISTRY 12, p. 3308-3315, 2002.
05 CONSTANTINIDES, G.; ULM, F.-J. The effect of two types of C-S-H on the elasticity of cement-based materials: Results from nanoindentation and micromechanical modeling. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, v. 34, n. 1, p. 67-80, 2004.
06 VANDAMME, M; ULM, F-J.; FONOLLOSA, P. Nanogranular Packing of C-S-H at substochiometric conditions. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, Article In Press, 2009.
07 CONSTANTINIDES, G.; ULM, F.-J. The nanogranular nature of C–S–H. JOURNAL OF THE MECHANICS AND PHYSICS OF SOLIDS, Oxford, v. 55, n. 1, p. 64-90, 2007.
08 MILLER, M. ; BOBKO, C.; VAN DAMME, M.; ULM, F.-J. Surface Roughness criteria for cement paste nanoindentation. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, v. 38, p.467–476, 2008.
09 TRTIC, PAVEL; MUNCH, BEAT; LURA, PIETRO. A critical examination of statistical nanoindentation on model materials and hardened cement pastes based on virtual experiments, CEMENT AND CONCRETE COMPOSITES, Oxford, v. 31, p.705–714, 2009.
10 OLIVER, W. C.; PHARR, G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH, Warrendale, v. 7, n. 6, p. 1564-1583, 1992.
11 FISCHER-CRIPPS, A. C. Nanoindentation. Second edition. New York: SPRINGER-VERLAG, 2004, Chapter 10, p. 159-177.
12 CONSTANTINIDES, G.; ULM, F.-J.; VLIET, K. V. On the use of nanoindentation for cementitious materials. MATERIALS AND STRUCTURES, Dordrecht, v. 36, n. 3, p. 191-196, 2003.
13 JENNINGS, H. M.; THOMAS, J. J.; GEVRENOV, J. S.; CONSTANTINIDES, G.; ULM, F.-J. A multi-technique investigation of the nanoporosity of cement paste. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, v. 37, n. 3, p. 329-336, 2007.
14 MONDAL, P.; SHAH, S. P.; MARKS, D. L. Nanoscale Characterization of Cementitious Materials. ACI MATERIALS JOURNAL, Farmington Hills, v. 105, n. 2, p. 174-179, 2008.
15 MONDAL, P.; SHAH, S. P.; MARKS, D. L. A reliable technique to determine the local mechanical properties at the nanoscale for cementitious materials. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, v. 37, n. 10, p. 1440-1444, 2007.
16 PELISSER, FERNANDO; GLEIZE PHILIPPE J.P.; MIKOWSKI, ALEXANDRE. Propriedades Nanomêcanicas do Silicato de Cálcio Hidratado de Síntese. REVISTA AMBIENTE CONSTRUÍDO, v.9, p.129-139, Dezembro de 2009.

Datas de Publicação

Publicação nesta coleção
21 Ago 2014
Data do Fascículo
Out 2011

Histórico

Recebido
04 Dez 2009
Aceito
21 Fev 2011

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[1] 01 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Concreto - Determinação dos módulos estáticos de elasticidade e de deformação e da curva tensão-deformação. NBR 08522, Rio de Janeiro, 2003.

[2] 02 RICHARDSON, I. G. The calcium silicate hydrates. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, v. 38, n. 2, p. 137-158, 2008.

[3] 03 PELLENQ, R.J.-M., LEQUEUX, N., VAN DAMME, H. Engineering the bonding scheme in C-S-H: The iono-covalent framework. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, v. 38, n.2, p. 159-174, 2008.

[4] 04 MERLIN, F. et al., Cement-polymer and clay-polymer nano- and meso-composites: spotting the difference, J. MATERIAL CHEMISTRY 12, p. 3308-3315, 2002.

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[8] 08 MILLER, M. ; BOBKO, C.; VAN DAMME, M.; ULM, F.-J. Surface Roughness criteria for cement paste nanoindentation. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, v. 38, p.467–476, 2008.

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[11] 11 FISCHER-CRIPPS, A. C. Nanoindentation. Second edition. New York: SPRINGER-VERLAG, 2004, Chapter 10, p. 159-177.

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[13] 13 JENNINGS, H. M.; THOMAS, J. J.; GEVRENOV, J. S.; CONSTANTINIDES, G.; ULM, F.-J. A multi-technique investigation of the nanoporosity of cement paste. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, v. 37, n. 3, p. 329-336, 2007.

[14] 14 MONDAL, P.; SHAH, S. P.; MARKS, D. L. Nanoscale Characterization of Cementitious Materials. ACI MATERIALS JOURNAL, Farmington Hills, v. 105, n. 2, p. 174-179, 2008.

[15] 15 MONDAL, P.; SHAH, S. P.; MARKS, D. L. A reliable technique to determine the local mechanical properties at the nanoscale for cementitious materials. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Oxford, v. 37, n. 10, p. 1440-1444, 2007.

[16] 16 PELISSER, FERNANDO; GLEIZE PHILIPPE J.P.; MIKOWSKI, ALEXANDRE. Propriedades Nanomêcanicas do Silicato de Cálcio Hidratado de Síntese. REVISTA AMBIENTE CONSTRUÍDO, v.9, p.129-139, Dezembro de 2009.