Effect of Partial Substitution of Highly Reactive Mineral Additions by Nanosilica in Cement Pastes

Abstract

The phenomena involved in portland cement hydration and interactions with nanosilica are very complex and not yet fully understood. In addition, few papers have currently proposed to investigate the microstructure and mechanical properties of ternary mixtures using portland cement, colloidal nanosilica, and highly reactive mineral additions. This article investigates, for the first time, the behavior of different highly reactive mineral additions (silica fume and metakaolin) when partially replaced by colloidal nanosilica in the microstructure and hydration of cementitious materials. For the study of the cementitious material microstructures, a Langavant calorimeter, compressive strength, Xray diffraction, thermogravimetry, infrared spectroscopy, and mercury intrusion porosimetry were used. The pastes with a 1% substitution of highly reactive mineral additions by nanosilica showed higher compressive strength and more refined porosity than the pastes with only silica fume or metakaolin. The results show that nanosilica appears to have better synergism with metakaolin than with silica fume.

Efeito da ultrasonicação da sílica ativa e da nanossílica coloidal em pastas de cimento

“…Apesar de aparentemente o sistema coloidal manter as partículas de NS dispersas, pois apresentam diâmetro médio igual a 22,75 nm, as partículas não encontram-se totalmente dispersas. Isso foi comprovado no estudo realizado por RÊGO et al [5], que utilizaram a mesma NS coloidal do presente estudo. Os autores observaram através do microscópio eletrônico de transmissão (MET) que as partículas de NS encontravam-se parcialmente aglomeradas.…”

“…ANDRADE et al [6] também observaram aumento na resistência à compressão de pastas com relação a/agl= 0,35 contendo 10% de SA aos 7 dias de hidratação. RÊGO et al [5] observaram aumento de 15% da resistência à compressão de pastas de cimento com relação a/agl= 0,35 substituindo 10% do cimento Portland por SA em comparação com a pasta referência aos 28 dias de hidratação. Essa melhoria no desempenho mecânico foi justificada pelos autores principalmente pela reação pozolânica da SA com o CH.…”

“…As principais propriedades dos materiais cimentícios de alto desempenho (f ck > 50 MPa) no estado endurecido são elevada resistência mecânica e elevada durabilidade. Essas propriedades geralmente são alcançadas com a produção de materiais cimentícios com baixa relação água/aglomerante (a/agl) e com a utilização de materiais cimentícios suplementares (MCSs) altamente reativos e nanomateriais [1][2][3][4][5][6][7].…”

“…Dessa forma, a estabilidade do sistema coloidal é obtida pela força de repulsão entre as partículas. Apesar disso, RÊGO et al [5] e BOLHASSANI e SAMANI [17] observaram através do microscópio eletrônico de transmissão (MET) partículas de NS coloidal aglomeradas. Dessa forma, observa-se que o sistema coloidal consegue manter as partículas de NS parcialmente dispersas, mas não garante a dispersão total das partículas de NS.…”

“…Apesar do crescente número de pesquisas que utilizaram esses métodos para dispersar a SA [18][19][22][23][24][25] e a NS [26][27][28][29][30][31][32], não foram encontrados estudos que avaliaram o efeito da ultrasonicação da NS coloidal na microestrutura de materiais cimentícios. Isso representa uma lacuna importante para a comunidade científica atualmente, tendo em vista que o sistema coloidal pode não garantir a total dispersão das partículas de NS e o tamanho das partículas de NS influencia diretamente nas propriedades dos materiais cimentícios [5,17].…”