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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-08032021-092118
Document
Author
Full name
Fábio Cabral de Oliveira
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Angulo, Sérgio Cirelli (President)
Repette, Wellington Longuini
Tavares, Luis Marcelo Marques
Title in Portuguese
Propriedades mecânicas de pastas de cimento: microestrutura, variabilidade e análises probabilísticas.
Keywords in Portuguese
Microestrutura
Módulo de elasticidade
Pasta de cimento
Resistência à tração
Variabilidade
Abstract in Portuguese
A pasta de cimento hidratada é um material frágil e, portanto, o desempenho mecânico é governado por defeitos pré-existentes na microestrutura. Durante a produção e moldagem, defeitos críticos (poros largos, trincas e fissuras) podem ser introduzidos causando drástica redução da resistência mecânica. Tais defeitos ocorrem e se distribuem aleatoriamente, o que intensifica a dispersão das propriedades mecânicas. Conhecer a variabilidade é importante para determinar valores característicos, que acabam por definir a confiabilidade estrutural do concreto. Neste contexto, o presente trabalho avalia a variabilidade da resistência à tração e do módulo de elasticidade de pastas de cimento, correlacionando-a à ocorrência de defeitos críticos. Dentre as variáveis investigadas estão a relação água/sólidos, o teor de fíler calcário (em substituição e em adição ao cimento) e o teor de superplastificante. Para cada composição, pelo menos 40 pequenas amostras cúbicas (~10 mm) foram moldadas para garantir representatividade estatística. As propriedades mecânicas foram determinadas através de um ensaio simples, baseado no ensaio de carga pontual e na teoria de contato elástico de Hertz. O comportamento da resistência à tração e do módulo elástico foi avaliado a partir de análises probabilísticas utilizando as distribuições de Weibull e lognormal, respectivamente. Ensaios de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio (MIP) e Microtomografia de Raios-X foram realizados para correlacionar a dispersão dos resultados mecânicos com a microestrutura das amostras. O fíler calcário aumenta a porosidade aberta quando usado em substituição ao cimento (a/s constante); por outro lado, em adição ao cimento (a/c constante), a porosidade diminui. A magnitude do módulo elástico só foi afetada pela porosidade total, de maneira inversa, e a variabilidade das observações é pequena, independente da composição da pasta. A variabilidade da resistência à tração é relativamente alta devido à distribuição aleatória dos defeitos críticos; entretanto, pode ser substancialmente reduzida com a inclusão de fíler calcário e com o aumento da porosidade, devido ao mecanismo de tenacificação na zona de propagação da fratura. A ocorrência de exsudação/segregação após a moldagem das amostras aumentou significativamente a variabilidade dos resultados mecânicos. O diâmetro crítico determinado pela MIP apresentou correlação negativa com a resistência mecânica, e a relação a/c parece ser o principal fator que afeta sua dimensão.
Title in English
Mechanical properties of cement pastes: microstrucutre, variability and probabilistic analysis.
Keywords in English
Cement paste
Elastic modulus
Microstructure
Tensile strength
Variability
Abstract in English
Hydrated cement pastes are brittle materials and therefore their mechanical performance is governed by pre-existing defects in the microstructure. During production and molding, critical defects (large pores and cracks) may be introduced causing a drastic reduction of the mechanical strength. The occurrence and distribution of such defects are random, which intensify the dispersion of the mechanical properties. Knowing the variability is important to determine reliable characteristic values; nonetheless, little attention is given to the subject. In this context, the present work evaluates the variability of the tensile strength and elastic modulus of cement pastes, correlating it to the microstructure and occurrence of critical defects. Among the variables investigated are the water/solids ratio, the content of limestone filler (in replacement and addition to cement) and the content of superplasticizer. For each composition, at least 40 small cubic samples (~10 mm) were cast to ensure statistical representativeness. The mechanical properties were determined through a simple and practical test, based on the Point Load Test and the Hertz elastic contact theory. The behavior of tensile strength and elastic modulus were evaluated through probabilistic analyses using the Weibull and lognormal distributions, respectively. Mercury Intrusion Porosimetry (MIP) and X-ray Microtomography tests were performed to correlate the dispersion of the mechanical results with the microstructure of the samples. The results showed that the effect of limestone filler on the open porosity depends on the strategy used: in replacement to cement (constant w/s), the porosity increases; on the other hand, in addition to cement (constant w/c), the porosity decreases. The magnitude of the elastic modulus was only affected by the total porosity, in a negative way, and the data variability was low regardless of the composition of the paste. The increase in total porosity also tends to reduce the magnitude of the tensile strength; however, the presence of limestone filler can compensate this effect and improve the mechanical performance thanks to toughening mechanisms during fracture. Tensile strength variability is relatively high due to the random distribution of critical defects; however, it can be substantially reduced with the inclusion of limestone filler and with the increase of porosity, which is also due to the increase in toughness. The occurrence of bleeding/segregation after casting the samples significantly increased the variability of the mechanical results. The critical diameter determined by the MIP had a strong negative correlation with the mechanical strength, and the w/c ratio seems to be the main factor affecting its dimension.
 
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Publishing Date
2021-03-10
 
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