Evaluation of mechanical properties and microstructure of ultra high performance concrete with mineral additions and industrial waste

With the increase in the world population, civil construction is the largest consumer of resources, with great environmental impact. One of the ways to reduce this impact is to increase the mechanical strength of the concrete, reducing the resistant sections of the structural parts, dematerializing them from the emanation of greenhouse gases. The use of industrial and pozzolan waste in concrete, in addition to the packaging of particles, are concrete actions that reduce environmental impacts, increasing sustainability. Thus, the general objective of this research was to analyze the microstructure and physical-mechanical properties of ultra high performance concrete (UHPC) with hydrated lime, foundry sand, pozzolanic and inert mineral additions, through the packaging effects of the particles. The specific objectives were: to evaluate the workability of UHPC with rice husk ash (RHA), fly ash (FA), lime CH I, limestone filler (LF), quartz powder and foundry sand, in relation to the reference concrete, with structural white cement, silica fume (SF), quartz powder and sand industrial; study the packaging of particles by the modified Andreassen method; analyze the performance of variables related to the mechanical strength of concrete in wet and thermal cures: axial compression, modulus of elasticity and instrumented breaks; and analyze the microstructure of UHPC mixtures by: X-Ray Diffraction (XRD), Thermogravimetric Analysis (TG/DTG), Fourier Transform Infrared (FTIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM/EDS). The greatest resistance for all ages was the REF mixture. The efficiency of thermal curing was verified, mainly in early ages, with emphasis on the mixture with 15% partial replacement of cement with rice husk ash (RHA15). For mixtures with mineral additions, the similar behavior was noticeable. This performance confirms that the physical effect was representative, because, even with changes in levels and types of mineral additions, the average clinker intensity did not vary significantly. The elasticity modules showed the same trend of resistance behavior. In instrumented breaks, the stresses were proportional to the specific deformations in almost the entire test. In mixtures with mineral additions (RHA15, FA15, RHA10-FA5 and RHA10-LF5), the deformations were greater, attesting to the less fragile behavior. In XRD, the presence of non-hydrated compounds (alite and belite) was observed due to the low a / mc ratio. In mixtures with the addition of lime there was an increase in the peaks of portlandite and calcite, showing that a portion of the lime did not react with the pozzolana. In TG-DTG, mixtures with mineral additions had higher levels of combined water, calcium hydroxide (CH) and carbonates than REF, attesting that the lime partially reacted with the pozzolan. In FTIR, the REF mixture showed low peaks of portlandite, the opposite behavior of mixtures with mineral additions. In SEM, it was found that mixtures with mineral additions showed higher levels of Ca / Si ratio when compared to the reference concrete. Com o aumento da população mundial, a construção civil é a maior consumidora de recursos, com grande impacto ambiental. Uma das maneiras de diminuir esse impacto é aumentar a resistência mecânica do concreto, reduzindo as seções resistentes das peças estruturais, desmaterializando-as da emanação dos gases do efeito estufa. A utilização no concreto de resíduos industriais e pozolana, além do empacotamento das partículas, são ações concretas que diminuem os impactos ambientais, aumentando a sustentabilidade. Assim, o objetivo geral desta pesquisa foi analisar a microestrutura e propriedades físico-mecânicas de concreto de ultra alto desempenho (CUAD) com cal hidratada, areia de fundição, adições minerais pozolânicas e inerte, através dos efeitos de empacotamento das partículas. Os objetivos específicos foram: avaliar a trabalhabilidade do CUAD com cinza de casca de arroz (CCA), cinza volante (CV), cal CH I, fíler calcário, pó de quartzo e areia de fundição, em relação ao concreto de referência, com cimento branco estrutural, sílica ativa, pó de quartzo e areia industrial; estudar o empacotamento das partículas pelo método de Andreassen modificado; analisar o desempenho das variáveis relacionadas com a resistência mecânica do concreto em curas úmida e térmica: compressão axial, módulo de elasticidade e rompimentos instrumentados; analisar a microestrutura das misturas do CUAD por: Difração de Raios X (DRX), Análise termogravimétrica (TG/DTG), Infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e Microscopia Eletrônica de Varredura MEV/EDS. As maiores resistências para todas as idades foram da mistura REF. Verificou-se a eficiência da cura térmica, principalmente em idades iniciais, com destaque para a mistura com 15% de substituição parcial de cimento por cinza de casca de arroz (CCA15). Para as misturas com adições minerais, ficou perceptível o comportamento semelhante. Esse desempenho ratifica que o efeito físico foi representativo, pois, mesmo com alterações de teores e de tipos de adições minerais, a intensidade de clínquer média não variou significativamente. Os módulos de elasticidade apresentaram a mesma tendência de comportamento da resistência. Nos rompimentos instrumentados as tensões foram proporcionais às deformações específicas em quase todo o ensaio. Nas misturas com adições minerais (CCA15, CV15, CCA10-CV5 e CCA10-FC5), as deformações foram maiores, atestando o comportamento menos frágil. No DRX, observou-se presença de compostos não hidratados (alita e belita) devido à baixa relação a/mc. Nas misturas com adição de cal houve acréscimo nos picos de portlandita e calcita, evidenciando que uma parcela da cal não reagiu com a pozolana. No TG-DTG as misturas com adições minerais tiveram maiores níveis de água combinada, hidróxido de cálcio (CH) e carbonatos que a REF, atestando que a cal reagiu parcialmente com a pozolana. No FTIR a mistura REF apresentou baixos picos de portlandita, comportamento oposto das misturas com adições minerais. No MEV, verificou-se que as misturas com adições minerais apresentaram níveis mais elevados de relação Ca/Si quando comparados ao concreto referência.