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Dissertação de mestrado em Construção e Reabilitação Sustentáveis, O cenário global atual é de grande preocupação com o aquecimento global e seus efeitos, bem como com a insustentabilidade do mundo. No intuito de diminuir as emissões de carbono e gases de efeito estufa, a Comissão Europeia tomou uma série de medidas com prazos estabelecidos. Uma das medidas é o encerramento de todas as usinas termoelétricas da Europa até 2030. Com esta medida, a oferta de cinzas volantes, originada de resíduos destas da queima do carvão nestas usinas, terá extrema redução, suscitando estudos que analisem materiais alternativos. Neste estudo, visou-se substituir parcialmente, em volume, o cimento usado em argamassas, pela percentagem de 25% de pó de vidro, mesma percentagem normalizada para incorporação de cinzas volantes para ser possível fazer uma comparação direta. Considerando que essa substituição reduz em 25% o uso do cimento, um dos materiais líderes em emissões de CO2 no mundo. Neste trabalho, o principal interesse é de analisar o impacto de substituições parciais do cimento por pó de vidro em diferentes percentagens no comportamento mecânico das argamassas resultantes. Estas argamassas serão comparadas às argamassas com cinzas volantes no sentido de investigar o potencial do pó de vidro como substituto destas cinzas em materiais cimentícios. Os resultados apresentados apontam para um comportamento mecânico satisfatório para as argamassas com pó de vidro. Quando comparadas as argamassas com cinzas volantes, considerando as mesmas percentagens de substituição e sob as mesmas condições de ensaio, estas argamassas apresentaram resistências maiores que as argamassas com cinzas volantes. No que diz respeito à sua pozolanicidade, os resultados foram muito satisfatórios, mesmo em teores de substituição superiores a 25%., The current global scenario is one of great concern with global warming and its effects, as well as with the unsustainability of the world. In order to reduce carbon emissions and greenhouse gases, the European Commission has taken a series of measures with established deadlines. One of the measures is the closure of all thermoelectric power plants in Europe by 2030. With this measure, the supply of fly ash, originating from residues of coal burning in these plants, will have an extreme reduction, prompting studies that analyze alternative materials. In this study, the aim was to partially replace, in volume, the cement used in mortars, by the percentage of 25% of glass powder, the same percentage normalized for the incorporation of fly ash in order to be able to make a direct comparison. Considering that this replacement reduces the use of cement by 25%, one of the leading materials in CO2 emissions in the world. In this work, the main interest is to analyze the impact of partial replacements of cement by glass powder in different percentages on the mechanical behavior of the resulting mortars. These mortars will be compared to mortars with fly ash in order to investigate the potential of glass powder as a substitute for this ash in cementitious materials. The presented results point to a satisfactory mechanical behavior for mortars with glass powder. When comparing mortars with fly ash, considering the same replacement percentages and under the same test conditions, these mortars showed greater resistance than mortars with fly ash. With regard to its pozzolanicity, the results were very satisfactory, even at substitution levels greater than 25%.

Tese de doutoramento em Engenharia Civil, A corrosão das armaduras do betão é uma das formas de dano mais grave e frequente nas estruturas dos edifícios, gerando globalmente custos astronómicos de 3.4% do PIB global, não incluindo custos indiretos. Uma das maiores contribuições é o ataque por carbonatação, cuja tendência é de agravamento no futuro devido à crescente agressividade ambiental, à pressão populacional mundial, à produção de cimento mais refinado e mais reativo, ou à maior capacidade de incorporação de cinzas volantes no betão, como substituição do cimento. O uso de materiais pozolânicos oferece não só vantagens técnicas e económicas, mas também de ordem ecológica e de sustentabilidade mas, quando o volume de incorporação é elevado o betão poderá ser vulnerável a um ataque por carbonatação. A presente tese tem como objetivo a avaliação da introdução de cal hidratada, como forma de mitigar o ataque por carbonatação em betões com elevado volume de cinzas volantes, como substituição do cimento. Foram produzidas misturas com reduzida razão A/L, com 50% de cinzas volantes e 50% de cimento, às quais foi adicionado cal hidratada como substituição do agregado fino. Utilizando provetes em pastas, argamassas e betões, executaram-se diversos ensaios ao longo de 730 dias, incluindo após carbonatação natural e acelerada, tais como: profundidade de carbonatação, resistência à compressão, variação da massa, ultrassons, resistividade elétrica, absorção de água, PIM, ATS, DRX, MEV, EDD, pH e de teor de água. Executaram-se com sucesso análises estatísticas com modelos lineares generalizados mistos, na investigação de 4 precondicionamentos, 3 meios de medição da profundidade de carbonatação e 2 indicadores ácido-base (timolftaleína e fenolftaleína). Adicionalmente abordou-se uma nova metodologia de avaliação da carbonatação (EIE) e desenvolveu-se um procedimento para o ensaio de dissolução seletiva com HF, com excelentes resultados. Concluiu-se que a introdução de cal hidratada foi competente na redução do ataque por carbonatação, possivelmente pela precipitação de carbonato de cálcio na matriz cimentícia, reduzindo a porosidade aberta, a dimensão média e crítica da rede porosa, bem como a sua distribuição. No entanto, também foi promovida a redução do pH, a produção de compostos hidratados e a descalcificação desses mesmos compostos após carbonatação., Corrosion is one the most severe types of damage found on reinforced concrete structures, and it is responsible for repair and conservation costs that rise to an estimate equivalent of 3.4% GDP. Carbonation related damage is seen as a growing threat to concrete structures safety, due to increasing environmental aggressiveness and worldwide population growth, but also as a consequence of industry tendency to produce refined and reactive cements, using larger amounts of fly ash as cement replacer. To face such challenge, the use of pozzolanic materials in the making of reinforced concrete offers advantages not only from and economic but also from and ecological and sustainable points of view. However, it is also known that the excessive use of such materials may result into vulnerable concretes due to carbonation associated hazards. This research was set in motion to provide an assessment of the use of hydraulic lime to mitigate carbonation caused damage threats to concretes made with high rates of fly ash as a replacement for Portland cement. Different W/B ratio concrete mixes with 50% of fly ash and 50% of cement, with hydraulic lime as a replacement for fine aggregates were designed. Paste, mortar and concrete specimens were tested during a period of 730 days that included natural and accelerated carbonation tests, such as: carbonation depth, strength, mass variation, ultrasonic and electrical resistivity tests, water absorption, MIP, STA, XRD, SEM, EDX, pH, and water content. The test results were statistically analysed using generalized linear mixed models, 4 preconditioning’s, 3 carbonation depth measurement means and 2 acid-base indicators (thymolphthalein and phenolphthalein). A new carbonation assessment methodology (Electrochemical Impedance Spectroscopy) and experimental procedure for HF selective dissolution were also designed and successfully tested. The research results show that hydraulic lime presents high performance in reducing carbonation damage in concretes, due to calcium carbonate precipitation in the cement matrix, reducing open porosity, the average and critical size of the porous network, as well as its distribution. Lower pH, and reduced amounts of produced hydrated compounds showing higher decalcification after carbonation, were other achieved results.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O primeiro estudo deste trabalho de pesquisa teve como objetivo avaliar a eficiência do método Simplex-Centroide na predição do comportamento mecânico, e na otimização da dosagem de misturas entre solos lateríticos-escória de aciaria elétrica redutora-cinza volante (SEC). O programa experimental contemplou a caracterização das seguintes propriedades mecânicas e de expansibilidade: Resistência à Compressão Simples (RCS); Índice de Suporte Califórnia (ISC); Módulo de Resiliência (MR); e Expansão ISC (E-ISC) das misturas experimentais. Nesse estudo obteve-se modelos matemáticos estatisticamente relevantes e descritivos dos comportamentos mecânicos e de expansibilidade das misturas. A utilização do método Simplex-Centroide também permitiu estabelecer a dosagem otimizada da mistura SEC com base em critérios normativos pré-definidos. No segundo estudo analisou-se os efeitos da carbonatação acelerada nas propriedades mecânicas e de expansibilidade da mistura entre solos e escória de aciaria elétrica redutora otimizada durante a realização do primeiro estudo deste trabalho de pesquisa. As propriedades avaliadas nesse estudo foram: (i) Resistência à Compressão Simples; (ii) índice Mini-CBR; (iii) Expansão Mini-CBR; e (iv) Módulo de Resiliência. Os corpos de prova foram submetidos aos três procedimentos de cura descritos a seguir antes da determinação de sua ruptura: (i) C1 – 28 dias em câmara úmida acrescido de 7, 14 e 28 dias em câmara de carbonatação; (ii) 28 dias na câmara de carbonatação acrescidos de 7, 14 e 28 dias também em câmara úmida; e (iii) carbonatação prévia da escória de aciaria elétrica redutora por 7, 14 e 28 dias antes da moldagem dos corpos de prova e posterior submissão dos corpos de prova a 28 dias em câmara úmida. Nesse estudo foi possível avaliar os efeitos que o tempo de submissão dos corpos de prova a cada tratamento exerce sobre as propriedades avaliadas e, através das análises de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e de Difração de Raios-X (DRX), identificou-se a formação de compostos cimentados e carbonatados diretamente relacionados aos comportamentos observados experimentalmente. Palavras-chave: Escória de aciaria elétrica. Simplex-Centroide. Carbonatação acelerada. Solos lateríticos. Estabilização de solos The first study of this research work focused on evaluating the efficiency of the Simplex- Centroid method to perform the experimental design, to predict the mechanical behavior, and to optimize the design of lateritic soils-ladle furnace slags-fly ash (SEC) mixtures. The experimental program included the geotechnical characterization of the experimental mixtures including the following properties: (i) Unconfined Compressive Strength – UCS; (ii) California Bearing Ratio – CBR; (iii) CBR Expansion; and (iv) Resilient Modulus - MR. The results from the experimental program allowed the definition of statistically significant mathematical models capable to describe the experimental mixtures mechanical and expansion behavior as a function of its components content. Through, the Simplex-Centroid method applications, it was also possible to establish an optimized SEC mixture design based on pre-defined normative criteria. The second study aimed on evaluating the effects of accelerated carbonation on the mechanical and expansion behavior of the soil-ladle steel slags mixture optimized during the first study. The properties evaluated in this study were: (i) Unconfined Compressive Strength – UCS; (ii) Mini-California Bearing Ratio; (iii) Mini-CBR Expansion; and (iv) Resilient Modulus (MR). The specimens were submitted to the following three curing procedures for 35, 42 and 56 days before been tested: (i) C1 – 28 days in a humid chamber followed by 7, 14 and 28 additional days in carbonation chamber; (ii) 28 days in the carbonation chamber, and 7, 14 and 28 additional days also in the humid chamber; and (iii) previous carbonation of the ladle steel slag for 7, 14 and 28 days before specimens compaction and the subsequent specimens submission to 28 days in a wet chamber. Through laboratory tests it was possible to evaluate, for all the curing procedures considered, the effects that curing time exerts on the evaluated properties of soil-ladle furnace slags mixtures and, through the analysis of Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-Ray Diffraction (XRD), it was possible to identify the formation of cemented and carbonated compounds, which explains the experimental mixture behavior. Keywords: Ladle furnace slags. Simplex-Centroid. Accelerated carbonation. Lateritic soils. Soil stabilization.

A indústria cimenteira destaca-se como sendo o segundo maior emissor industrial de dióxido de carbono (CO2). Neste sentido, a redução do uso do cimento no betão, sem prejuízo dos avanços técnicos já adquiridos, é uma tendência mundial. A substituição parcial do cimento por cinzas volantes (CV) no betão tem sido utilizada com vantagens ao nível técnico, económico e ambiental. Os betões com CV destacam-se pela elevada resistência ao ataque por cloretos (Cl-), sendo menos resistentes à carbonatação. Este trabalho experimental tem como objetivo avaliar o comportamento dos betões com CV face à carbonatação, em ambientes marinhos. Assim, foram moldados provetes de argamassa e betão com 0 e 40% de substituição de cimento por CV. Para tal, foram utilizados ensaios acelerados para contaminação dos provetes por Cl- e CO2. Os resultados apontam para uma redução da profundidade de carbonatação dos provetes sujeitos ao contato com os Cl- e CO2 quando comparados aos provetes sujeitos apenas ao CO2, independentemente do percentual de CV. Considerando a menor resistência do betão com CV face à carbonatação, esta redução na profundidade de carbonatação aponta para uma dimensão positiva relacionada ao seu uso. Aspetos relacionados à porosidade do betão e ao efeito higroscópico do cloreto de sódio (NaCl), podem estar na origem deste comportamento., The cement industry is the second largest industrial emitter of (carbon dioxide) CO2. Reducing the use of cement in concrete, and maintaining its technical qualities is a worldwide trend. The partial replacement of cement by fly ash (FA) in concrete has been used with technical, economical, and environmental advantages. Concretes with FA have greater chloride (Cl- ) attack resistance, but the carbonation resistance is lower. This experimental research aims to evaluate the behaviour of concretes with FA in relation to carbonation, in marine environments. Specimens were moulded with 0 and 40% replacement of cement by FA. Accelerated tests were used to contaminate the specimens with Cl- and CO2. According to the obtained results, there is a reduction in carbonation depth in the specimens submitted to Cl- and CO2 when compared to those submitted only to CO2, regardless of the percentage of FA. Considering the limited resistance of concrete with FA related to carbonation, this reduction in carbonation depth is a positive aspect. The porosity of concrete and the hygroscopic effect of sodium chloride (NaCl) may be at the origin of this behaviour., Este trabalho foi financiado por Fundos Nacionais através da FCT/MCTES – Fundação para a Ciência e Tecnologia/Ministério da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior, no âmbito do CTAC – Centro de Território, Ambiente e Construção – UIDB/0407/2020 e UIDP/04047/2020.